Procedura doświadczalna dla badań laboratoryjnych spalania in situ: palność i efektywność spalania ropy naftowej

Podsumowanie

Tutaj prezentujemy protokół do jednoczesnego badania łatwopalności i efektywności spalania świeżej i zwietrzałej ropy naftowej w warunkach, które symulują operacje spalania in situ na morzu.

Streszczenie

Przedstawiono nową metodę jednoczesnego badania palności i efektywności spalania świeżej i zwietrzałej ropy naftowej za pomocą dwóch eksperymentalnych konfiguracji laboratoryjnych. Eksperymenty są łatwe do powtórzenia w porównaniu z eksperymentami na skalę operacyjną (średnica basenu ≥2 m), a jednocześnie charakteryzują się dość realistycznymi warunkami spalania ropy naftowej na wodzie in situ. Warunki eksperymentalne obejmują płynącą warstwę dolną wody, która chłodzi plamę ropy, oraz zewnętrzny strumień ciepła (do 50 kW/^m2), który symuluje wyższe sprzężenie zwrotne ciepła z powierzchnią paliwa w pożarach basenów ropy naftowej na skalę operacyjną. Warunki te umożliwiają kontrolowane badanie laboratoryjne efektywności spalania pożarów basenów ropy naftowej, które jest równoważne eksperymentom na skalę operacyjną. Metoda dostarcza również danych ilościowych na temat wymagań dotyczących zapłonu ropy naftowej pod względem krytycznego strumienia ciepła, czasu opóźnienia zapłonu w funkcji padającego strumienia ciepła, temperatury powierzchni w momencie zapłonu oraz bezwładności cieplnej. Tego typu dane można wykorzystać do określenia wymaganej siły i czasu trwania źródła zapłonu do zapłonu określonego rodzaju świeżej lub zwietrzałej ropy naftowej. Głównym ograniczeniem metody jest to, że wpływ chłodzący przepływającej warstwy dolnej wody na spalaną ropę naftową w funkcji zewnętrznego strumienia ciepła nie został w pełni określony ilościowo. Wyniki eksperymentalne wyraźnie pokazały, że podwarstwa płynącej wody poprawia reprezentatywność tego układu w warunkach spalania in situ, ale obecnie nie ma pewności, w jakim stopniu to odwzorowanie jest dokładne. Metoda ta charakteryzuje się jednak najbardziej realistycznymi warunkami laboratoryjnymi spalania in situ, jakie są obecnie dostępne, do jednoczesnego badania palności i efektywności spalania ropy naftowej na wodzie.

Wprowadzenie

Spalanie na miejscu rozlanej ropy naftowej na wodzie to metoda reagowania na wyciek ropy morskiej, która usuwa rozlany olej z powierzchni wody poprzez jego spalanie i przekształcanie w sadzę i gazowe produkty spalania. Ta metoda odpowiedzi została z powodzeniem zastosowana podczas Exxon Valdez¹ i Deepwater Horizon² wycieków ropy naftowej i jest regularnie wymieniana jako potencjalna metoda reagowania na wycieki ropy dla klasy Arctic3^,4,5,6. Dwa z kluczowych parametrów, które decydują o tym, czy spalanie oleju in situ zakończy się sukcesem jako metoda reagowania na wyciek, to palność i efektywność spalania oleju. Pierwszy parametr, palność, opisuje, jak łatwo paliwo może się zapalić i może prowadzić do rozprzestrzeniania się płomienia po powierzchni paliwa, co prowadzi do w pełni rozwiniętego pożaru. Drugi parametr, efektywność spalania, wyraża ilość oleju (w % wag.), która jest skutecznie usuwana z powierzchni wody przez ogień. W związku z tym istotne jest zrozumienie palności i oczekiwanej wydajności spalania różnych olejów naftowych w warunkach spalania in situ.

Zapłon plam oleju na wodzie w celu spalania in situ jest często traktowany jako problem praktyczny, z jakościowymi dyskusjami na temat systemów zapłonowych5^,7,8,9. Praktyczne podejście do zapłonu rozlanego oleju jako problemu binarnego i oznaczanie olejów jako "zapalnych" lub "niezapalnych" (np. Brandvik, Fritt-Rasmussen, et al.¹⁰) jest jednak błędne z fundamentalnego punktu widzenia. Teoretycznie każde paliwo może zostać zapalone przy odpowiednim źródle zapłonu. W związku z tym istotne jest ilościowe określenie wymagań dotyczących zapłonu dla szerokiej gamy różnych rodzajów ropy naftowej, aby lepiej zrozumieć właściwości ropy naftowej, które oznaczałyby ją jako "niepalną". W tym celu opracowana metoda może być wykorzystana do badania czasu opóźnienia zapłonu oleju w funkcji padającego strumienia ciepła, krytycznego strumienia ciepła oleju oraz jego bezwładności cieplnej, czyli trudności w podgrzaniu oleju.

W poprzednim badaniu postulowaliśmy, że głównym parametrem decydującym o efektywności spalania jest sprzężenie zwrotne ciepła do powierzchni paliwa¹¹, co jest funkcją średnicy basenu. Teoria wyjaśnia pozorną zależność wydajności spalania od wielkości basenu w oparciu o badania laboratoryjne wykazujące niską wydajność spalania (32-80%)^8,12,13 oraz badania na dużą skalę (średnica basenu ≥2 m) wykazujące wysoką wydajność spalania (90-99%)^14,15,16. Omawiana tu metoda została opracowana w celu sprawdzenia proponowanej teorii. Poddając eksperymenty laboratoryjne na małą skalę stałemu zewnętrznemu strumieniowi ciepła, można symulować wyższe sprzężenie zwrotne ciepła dla pożarów basenowych na dużą skalę w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. W związku z tym opracowana metoda pozwala na efektywne badanie sprawności spalania w funkcji średnicy poprzez zmianę zewnętrznego strumienia ciepła.

Oprócz zewnętrznego strumienia ciepła symulującego większą skalę operacji spalania in situ, eksperymentalne konfiguracje obejmują chłodzenie plamy oleju przez przepływ zimnej wody, symulując efekt chłodzenia prądu morskiego. Omawiana metoda jest ponadto kompatybilna zarówno ze świeżą, jak i zwietrzałą ropą naftową. Wietrzenie ropy naftowej opisuje proces fizyczny i chemiczny, który wpływa na ropę naftową po rozlaniu na wodę, taki jak utrata jej lotnych składników i mieszanie z wodą w celu utworzenia emulsji typu woda w oleju (np. AMAP¹⁷). Parowanie i emulgacja to dwa główne procesy wietrzenia, które wpływają na palność ropy naftowej¹⁸ i dlatego w omawianej metodzie zawarte są protokoły symulacji tych procesów wietrzenia.

Tutaj prezentujemy nowatorską metodę laboratoryjną, która określa palność i efektywność spalania ropy naftowej w warunkach symulujących operacje spalania in situ na morzu. Dotychczasowe badania nad palnością i efektywnością spalania ropy naftowej obejmowały zarówno porównywalne, jak i różne metody. Palność świeżych i zwietrzałych ropy naftowej w funkcji zewnętrznego strumienia ciepła badano na water¹⁹ i w temperaturach arktycznych²⁰. Badania wydajności spalania zazwyczaj koncentrują się na różnych rodzajach świeżej i zwietrzałej ropy naftowej oraz warunkach środowiskowych w ustalonej skali (np. Fritt-Rasmussen, et al.⁸ Bech, Sveum i wsp. ²¹). Niedawne badania nad spalaniem ropy naftowej zawartej w chemicznych pasterzach są, według wiedzy autorów, pierwszymi, które badają efektywność spalania dla małych, średnich i dużych eksperymentów w podobnych warunkach¹³. Eksperymenty na dużą skalę nie są jednak łatwo dostępne dla badań parametrycznych ze względu na dużą ilość czasu i zasobów wymaganych do przeprowadzenia takich eksperymentów. Główną przewagą przedstawionej metody nad poprzednio wymienionymi badaniami jest to, że pozwala ona na równoczesne badanie zarówno palności, jak i efektywności spalania ropy naftowej w warunkach półrealistycznych. Połączenie badania tych dwóch parametrów dla ropy naftowej w funkcji zarówno różnych rodzajów ropy, jak i (symulowanej) średnicy basenu za pomocą łatwych do powtórzenia eksperymentów było wcześniej niewykonalne w praktyce.

Protokół

Ten protokół wykorzystuje dwie różne eksperymentalne konfiguracje, które są używane w krokach 4-8, jak pokazano na załączonych schematach. Pierwszym zestawem jest Aparat do Palności Ropy Naftowej (COFA) (Rysunek 1 i Rysunek 4), który jest metalowym zbiornikiem wodnym o powierzchni 1,0 × 1,0 × 0,50^m3 przeznaczonym do przeprowadzania eksperymentów ze spalaniem ropy naftowej in situ na małą skalę, jak pokazano na przykład w Van Gelderen, Brogaard i inni. ²² Druga konfiguracja to grzałka stożkowa²³ z zapalnikiem iskier, który posiada specjalnie wykonany uchwyt na próbkę i analizator gazu, który mierzy stężenia_O2, CO₂ i CO w kanale wydechowym²⁴ (Rysunek 2 i Rysunek 3). Specyfikacje techniczne tych konfiguracji są szczegółowo opisane w dokumencie uzupełniającym, który zawiera również zdjęcia konfiguracji. O ile nie określono inaczej, pomiary danych (np. temperatury, strumienie ciepła lub stężenia gazów) są mierzone cyfrowo za pomocą multipleksera i rejestratora danych. Rejestratory danych są obsługiwane za pomocą cyfrowego programu do akwizycji danych. W protokole wyrażenie "uruchom rejestrator danych" obejmuje wszystkie czynności zgodnie z instrukcjami programu, dostarczonymi przez producenta, które są wymagane do rozpoczęcia akwizycji danych.

1. Ogólne obchodzenie się z ropą naftową

1. Dla każdego świeżego oleju, który będzie badany, należy pobrać próbkę o objętości 5 ml i zmierzyć jej gęstość i lepkość w temperaturze 25 °C w lepkościomierzu. Resztę oleju należy przechowywać w temperaturze 5-10 °C w zamkniętej szklanej butelce do czasu dalszego użycia.
   ostrożność: Świeża ropa naftowa jest wysoce łatwopalna i zarówno ropa naftowa, jak i jej opary stanowią umiarkowane lub wysokie zagrożenie dla zdrowia. Ponadto trudno jest go oczyścić ze skóry lub oczu za pomocą bezpiecznych chemikaliów, takich jak mydło. Podczas pracy z ropą naftową należy nosić okulary i rękawice ochronne i pracować w dobrze wentylowanym pomieszczeniu.
2. Na początku każdej sesji badawczej należy wyjąć ropę naftową, która będzie badana, z chłodzonego (5–10 °C) magazynu. Potrząśnij każdym pojemnikiem na olej ręcznie przez 1-2 minuty i pozwól im nagrzać się do temperatury pokojowej przed przeprowadzeniem eksperymentów. Umieścić ropę naftową z powrotem w schłodzonym magazynie między sesjami testowymi.
3. Wszelkie powierzchnie przypadkowo zanieczyszczone ropą naftową należy oczyścić za pomocą lotnego rozpuszczalnika niepolarnego (np. n-heptanu).

2. Wietrzenie parujące ropy naftowej poprzez bulgotanie sprężonego powietrza przez olej

Uwaga: Ten krok jest oparty na Stiver and Mackay²⁵ oraz Buist, Potter, et al. ²⁶

1. Wywierć kilka otworów (np. sześć o średnicy (D) 5 mm) równomiernie rozmieszczonych w pokrywie plastikowego pojemnika o pojemności 5-10 L i wywierć pojedynczy otwór (np. D = 8-10 mm) w jednym z boków pojemnika w pobliżu jego górnej krawędzi.
2. Wykonać O-ring (około D = 20 cm) z dołączonym otwartym połączeniem z plastikowych rurek o średnicy wewnętrznej (ID) 4-6 mm i wywiercić kilka otworów (np. sześć o D = 1 mm) równomiernie rozmieszczonych po jednej stronie O-ringu.
   UWAGA: Spróbuj przesunąć pionowe położenie otworów w pokrywie od otworów w pierścieniu uszczelniającym o przekroju okrągłym, aby zminimalizować ilość ropy naftowej wydmuchiwanej z pojemnika.
3. Podłącz O-ring do plastikowej rurki (np. ID 4-8 mm), która przechodzi przez boczny otwór plastikowego pojemnika. Rura ta zostanie podłączona do układu sprężonego powietrza z zaworem regulacyjnym i manometrem.
4. Zważyć osobno pokrywkę i plastikowy pojemnik z plastikowym O-ringiem i zarejestrować ich wagę.
5. Zważyć 2-4 litry ropy naftowej (w zależności od jej gęstości) w pojemniku i zarejestrować wagę.
6. Umieść pojemnik pod wyciągiem i podłącz O-ring do układu sprężonego powietrza. Przepuszczać powietrze przez olej pod ciśnieniem tak wysokim, jak to możliwe (np. 200 kPa) bez wdmuchiwania oleju przez otwory w pokrywie pojemnika.
7. Zważyć olej na początku i na końcu każdego dnia roboczego w celu monitorowania, kiedy osiągnięty jest pożądany stan wietrzenia przez parowanie (w % utraconych wag.) (np. 20% wag. utraconych w porównaniu z masą początkową). Może to trwać od jednego dnia do ponad tygodnia ciągłego bulgotania, w zależności od rodzaju oleju i ciśnienia powietrza. Każdy pośredni pomiar masy służy do wyznaczenia krzywej parowania w funkcji czasu, co pomaga w przewidywaniu niezbędnego czasu parowania do osiągnięcia pożądanego stanu wietrzenia parowania.
   UWAGA: Po pierwszym dniu ropę naftową można zazwyczaj pozostawić w dygestorium na kilka dni (np. w weekend) bez utraty znaczącej ilości masy, gdy sprężone powietrze jest zamknięte.
8. Po zakończeniu odparowywania ropy naftowej należy pobrać próbkę oleju o objętości 5 ml i zmierzyć jego gęstość i lepkość w temperaturze 25 °C w lepkościomierzu. Resztę oleju należy przechowywać w temperaturze 5-10 °C w zamkniętej szklanej butelce do dalszego wykorzystania. Wyczyść pojemnik, pokrywę i O-ring lotnym rozpuszczalnikiem niepolarnym, aby usunąć wszelkie pozostałości ropy naftowej.

3. Emulgowanie ropy naftowej za pomocą obrotowego stołu wytrząsającego

Uwaga: Ta część protokołu została zmodyfikowana przez Daling, M., et al. ²⁷

1. Do szklanej butelki o pojemności 1 l dodaj łącznie 900 ml mieszanki ropy naftowej i świeżej lub słonej wody, z ilością wody odpowiadającą pożądanej objętości emulsji. Na przykład emulsja o zawartości wody 40% obj. składa się z 540 ml ropy naftowej i 360 ml wody. Zaleca się stosowanie odparowanej ropy naftowej, a nie świeżej ropy naftowej, aby dokładniej przedstawić procesy wietrzenia rozlanego oleju na otwartej wodzie i stworzyć bardziej stabilne emulsje.
   UWAGA: Ważne jest, aby butelka nie była całkowicie napełniona, aby było wolne miejsce na burzliwe mieszanie oleju i wody.
2. Energicznie potrząsaj ręcznie mieszaniną wody i oleju przez 1-2 minuty. Następnie umieść szklaną butelkę na obrotowym stole do wytrząsania i mieszaj mieszaninę wody i oleju z prędkością 175 obr./min przez 20 godzin w temperaturze pokojowej.
   UWAGA: Aby zapobiec problemom z oddzieleniem się warstwy wody od emulsji, eksperymenty z emulsją należy przeprowadzić tego samego dnia, w którym zakończył się 20-godzinny okres wstrząsania.
3. Po 20-godzinnym okresie wytrząsania pobrać próbkę emulsji o objętości 5 ml i zmierzyć jej gęstość i lepkość w temperaturze 25 °C w lepkościomierzu.
4. Jeśli emulsja jest niestabilna (patrz poniżej), umieść emulsję z powrotem na obrotowym stole wytrząsającym i stale potrząsaj emulsją z prędkością 175 obr./min między eksperymentami. Na początku każdego eksperymentu ręcznie zatrzymaj obrotowy stół wytrząsający, weź wymaganą ilość emulsji (krok 7.5), a następnie włóż ją z powrotem do obrotowego stołu wytrząsającego. Po przeprowadzeniu wszystkich eksperymentów z emulsją należy zatrzymać obrotowy stół wibracyjny i przechowywać emulsję w schłodzonym (5-10 °C) magazynie.
5. Jeśli emulsja jest stabilna, usuń ją z obrotowego stołu wytrząsającego i pozwól jej odpocząć w temperaturze pokojowej. Energicznie wstrząsaj emulsją ręcznie przez 1-2 minuty przed pobraniem wymaganej ilości oleju do każdego eksperymentu. Po przeprowadzeniu wszystkich eksperymentów z emulsją należy ją przechowywać w chłodnym (5-10 °C) miejscu.
   UWAGA: Na potrzeby niniejszego protokołu emulsje niestabilne definiuje się jako emulsje, które tworzą wyraźnie widoczną warstwę wody na kilka godzin, tj. przed końcem typowego dnia pracy.

4. Odniesienie do eksperymentów z wypalaniem in situ w COFA (Rysunek 1) dla kalibracji chłodzenia wodnego w konfiguracji stożka

1. Umieść cylinder ze szkła Pyrex o wysokości 5 cm i dowód osobisty o długości 16.3 cm (średnica zewnętrzna 16.9 cm) na stojaku o łącznej wysokości 35-45 cm na środku COFA. Kształt uchwytu nie ma znaczenia, o ile pozwala na swobodny przepływ wody pod obszarem pokrytym szklanym cylindrem z Pyrexu. Napełnij COFA świeżą wodą (340-440 l) tak, aby poziom wody znajdował się 1 cm poniżej krawędzi szklanego cylindra Pyrex.
2. Umieść śmigło na jednej z boków COFA skierowaną bezpośrednio w stronę szklanego cylindra Pyrex. Włącz śmigło i dostosuj wysokość pionową i przepływ tak, aby fale były ledwo widoczne w wodzie wewnątrz szklanego cylindra Pyrex. Zarejestruj wysokość pionową i pozycję przepływu (np. 1 000 l/h) i wyłącz śmigło przed kontynuowaniem protokołu.
   UWAGA: Śmigło służy do wytwarzania prądu w zbiorniku wodnym, który skutecznie chłodzi warstwę wody pod palącą się ropą naftową, aby zapobiec zjawisku wrzenia^28,29. Początkowo ustawiony przepływ i wysokość pionowa śmigła mogą nie powodować wystarczającego wychłodzenia podwarstwy wody, a wtedy nadal dochodzi do wrzenia.
   Uwaga: Wrzący to wybuchowy stan spalania ze znacznie zwiększoną wysokością płomienia, szybkością spalania i szybkością wydzielania ciepła, podczas którego kropelki oleju są wyrzucane z ognia^29,30,31. Upewnij się, że wszelki wrażliwy sprzęt jest chroniony (np. folią aluminiową) i utrzymuj personel i sprzęt w odpowiedniej odległości od ognia.
3. Zważyć ilość ropy naftowej odpowiadającą plamie oleju o grubości 5 mm w szklanym cylindrze ze szkła Pyrex (tj. w oparciu o gęstość i objętość 104 ml) w aluminiowym naczyniu.
4. Wlej ropę naftową na wodę wewnątrz szklanego cylindra Pyrex. Uważaj, aby nie wylać oleju na zewnątrz dna cylindra, wylewając olej zbyt szybko. Ponownie zważyć aluminiowe naczynie i zarejestrować rzeczywistą wagę ropy naftowej wlanej do szklanego cylindra Pyrex.
5. Powoli dolewaj wodę do COFA, aż powierzchnia plamy oleju znajdzie się 1-2 mm poniżej krawędzi szklanego cylindra Pyrex. Ta różnica wysokości jest ważna, aby zapobiec przelewaniu się oleju po zapłonie.
6. Włącz okap wyciągowy i śmigło. Następnie zapal ropę naftową za pomocą palnika ręcznego na butan i zmierz czas palenia od momentu zapłonu do momentu zgaszenia za pomocą stopera.
7. Po ugaszeniu pożaru w sposób naturalny należy zebrać olej pozostały na powierzchni wody (znany jako pozostałość po spaleniu) za pomocą hydrofobowych podkładek absorpcyjnych o znanej wadze. Strząśnij zebraną wodę przed zważeniem elektrod, aby określić wagę pozostałości. Efektywność spalania jest następnie obliczana za pomocą równania (1), a szybkość spalania oblicza się, dzieląc różnicę między masą początkową a masą pozostałości przez czas spalania (w sekundach).
   (1)
8. W przypadkach, gdy pożar powoduje wykipienie, powtórz krok 4 protokołu, spuszczając wodę z COFA, aż powierzchnia wody ponownie znajdzie się jeden centymetr poniżej krawędzi szklanego cylindra z Pyrexu. Oczyść krawędzie szklanego cylindra Pyrex lotnym, niepolarnym rozpuszczalnikiem. Następnie zmniejsz odległość pionową między śmigłem a szklanym cylindrem ze szkła Pyrex i/lub zwiększ pozycję przepływu śmigła i powtórz kroki protokołu od 4.3 do 4.8.
9. W przypadku, gdy pożar nie zakończy się wykipieniem, użyj obliczonej wydajności spalania i szybkości spalania w kroku 4.7, aby skalibrować chłodzenie wodne w konfiguracji stożka.

5. Kalibracja chłodzenia wodnego dla konfiguracji stożka (Rysunek 2 i Rysunek 3).

1. Przebić elastyczną rurkę z tworzywa sztucznego (średnica wewnętrzna 4 mm) w odległości jednego centymetra od jej zakończenia za pomocą termopary typu K o grubości 1 mm, tak aby koralik termopary był swobodnie zawieszony wewnątrz rurki. Zamocuj termoparę za pomocą taśmy politetrafluoroetylenowej (PTFE) i taśmy aluminiowej, aby upewnić się, że termopara się nie porusza i że woda nie wycieka z nakłucia. Podłącz termoparę do rejestratora danych.
   1. Powtórz krok 5.1 dla rurki z adapterem rurki ze stali nierdzewnej i włóż termoparę bezpośrednio pod adapter rurki.
2. Umieść i przymocuj pierwszą plastikową rurkę końcem termopary jak najdalej od dna zbiornika chłodzącego. Podłącz drugi koniec rurki do wlotu pompy perystaltycznej o regulowanej prędkości przepływu.
3. Podłącz nową plastikową rurkę do wylotu pompy perystaltycznej i podłącz drugi koniec tej plastikowej rurki do adaptera rurki ze stali nierdzewnej. Podłączyć adapter rurki do zaworu z uszczelnieniem mieszkowym i podłączyć zawór z uszczelnieniem mieszkowym do uchwytu na próbkę stożka. Upewnij się, że z połączeń nie wycieka woda, używając w razie potrzeby taśmy PTFE między połączeniami.
4. Podłącz drugą stronę stożkowego uchwytu próbki do zaworu z uszczelnieniem mieszkowym, który jest następnie połączony z adapterem rurki rurki z termoparą poniżej adaptera. Drugi koniec tej rurki jest umieszczony i zamocowany w górnej części zbiornika chłodzącego tak, aby wypływająca woda wracała do zbiornika chłodzącego.
   UWAGA: Upewnij się, że rura wlotowa i rura wylotowa mają wystarczającą odległość przestrzenną w zbiorniku, aby podgrzana woda nie była bezpośrednio recyrkulowana, ale ochładzała się w zbiorniku przed recyrkulacją.
5. Umieścić uchwyt na próbkę z podłączonymi rurkami pod grzałką stożkową. Wyreguluj wysokość uchwytu tak, aby zewnętrzna krawędź znajdowała się 23 mm od spodu grzałki stożkowej. Upewnij się, że probówki są wystarczająco długie, aby uchwyt próbki można było łatwo umieścić pod grzałką stożkową, gdy uchwyt na próbkę zawiera ropę naftową.
6. Napełnij zbiornik chłodzący wodą demineralizowaną i schłodzić wodę do wybranej temperatury (np. 12 °C). Otworzyć zawory z uszczelnieniem mieszkowym i uruchomić przepływ wody przez uchwyt próbki o wybranym przepływie (np. 7 l/h). Potrząśnij uchwytem, aby usunąć resztki powietrza z uchwytu, tak aby uchwyt został całkowicie wypełniony wodą.
7. Uruchom rejestrator danych i stale monitoruj temperaturę wpływającej i wypływającej wody. Zatrzymaj pompę, gdy temperatura wypływającej wody ustabilizuje się (zwykle jest to kilka stopni powyżej ustawionej temperatury zbiornika), zamknij zawory z uszczelnieniem mieszkowym i włącz okap wyciągowy.
8. Umieść uchwyt na próbkę na wadze obciążeniowej i wytaruj wagę. Dodać do uchwytu próbki ilość oleju odpowiadającą grubości plamy wynoszącej 10 mm (tj. w oparciu o gęstość i objętość 95 ml). Następnie otwórz zawory z uszczelnieniem mieszkowym i ponownie uruchom pompę.
9. Ostrożnie umieścić uchwyt próbki pod grzałką stożkową i zapalić olej za pomocą palnika ręcznego na butan. Zmierz czas palenia od momentu zapłonu do momentu zgaszenia za pomocą stopera.
   Ostrzeżenie: Podczas spalania olejów zawierających wodę, zarówno w sposób naturalny, jak i w wyniku emulgacji, podczas spalania może dojść do wykipienia (patrz również krok 4).
10. Po ugaszeniu pożaru należy zatrzymać pompę, zamknąć zawory, odłączyć rurki i umieścić uchwyt na próbkę na wytarowanej skali. Zarejestruj masę uchwytu, w tym pozostałości po oparzeniu.
11. Oczyść wszelkie pozostałości spalonego oleju z uchwytu lotnym rozpuszczalnikiem niepolarnym. Ponownie zważyć oczyszczony uchwyt, aby określić masę pozostałości. Następnie oblicz wydajność spalania i czas palenia zgodnie z opisem w kroku 4.7.
12. W przypadku, gdy wydajność i szybkość spalania zgadzają się z wynikami z kroku 4 protokołu, temperatura i przepływ wody są teraz kalibrowane i mogą być wykorzystane w następnym kroku protokołu. W przypadku, gdy wydajność spalania i szybkość spalania nie zgadzają się z wynikami z kroku 4 protokołu, należy odpowiednio wybrać nową temperaturę zbiornika i/lub nowy przepływ. Ponownie podłącz probówki do uchwytu na próbkę, otwórz zawory, uruchom pompę, potrząśnij uchwytem, aby usunąć powietrze, a następnie powtórz kroki 5.7-5.12.
    UWAGA: Dopasowanie zarówno wydajności spalania, jak i szybkości spalania może nie być możliwe. Dla celów opisanego protokołu ważniejsza jest efektywność spalania, która powinna być jak najdokładniej dopasowana. W przypadku testowania wielu olejów, temperaturę i przepływ wody można skalibrować dla jednego oleju lub dla każdego oleju z osobna. Podczas gdy kalibracja temperatury i przepływu wody dla każdego oleju z osobna może dokładniej symulować spalanie oleju na wodzie, wyniki czasu opóźnienia zapłonu dla różnych olejów (krok 6) można łatwiej porównać, stosując stałą temperaturę i przepływ wody dla każdego eksperymentu.

6. Kalibracja grzałki stożkowej (Rysunek 2-3).

1. Skalibrować korelację między temperaturą grzałki stożkowej a wydatkiem strumienia ciepła za pomocą chłodzonego wodą miernika strumienia ciepła o maksymalnej wydajności 100 kW/^m2.
   1. Umieść pompę akwariową w wiadrze i napełnij wiadro zimną wodą z kranu, aby pompa była całkowicie zanurzona.
   2. Podłącz pompę akwariową do miernika strumienia ciepła za pomocą plastikowej rurki. Podłącz drugą plastikową rurkę do miernika strumienia ciepła i zamocuj drugi koniec rurki wewnątrz wiadra, nieco nad powierzchnią wody, tak aby można było łatwo zaobserwować wodę wypływającą z rurki. Włącz pompę i upewnij się, że przez miernik strumienia ciepła przepływa stały przepływ wody.
   3. Włącz okap wyciągowy i podgrzej stożek do 200 °C. Umieść miernik strumienia ciepła (skierowany do góry) 25 mm poniżej środka stożka i podłącz miernik strumienia ciepła do rejestratora danych. Uruchom rejestrator danych, otwórz żaluzje i mierz strumień ciepła przez 5-10 minut, aż do uzyskania stabilnego odczytu strumienia ciepła, a następnie zatrzymaj akwizycję danych i zamknij żaluzje.
   4. Powtórzyć krok 6.1.3 przy temperaturze stożka 300, 400, 500, 600, 700, 720, 740, 760, 780 i 800 °C.
2. Określ temperatury stożka, które odpowiadają strumieniom ciepła w zakresie 3-50 kW/^m2, korzystając ze zmierzonych punktów danych i zakładając korelację liniową między punktami danych.

7. Eksperymenty z palnością ropy naftowej w układzie stożkowym (Rysunek 2-3)

1. Na początku każdej sesji testowej należy sprawdzić za pomocą miernika strumienia ciepła, czy temperatura stożka odpowiadająca strumieniowi ciepła 10 kW/^m2 nadal daje prawidłowy odczyt (±5%). Jeśli tak, postępuj zgodnie z protokołem. Jeśli nie, powtórz krok 6 przed kontynuacją.
2. Na początku każdej sesji testowej włącz okap wyciągowy, włącz analizator gazu i skalibruj analizator gazu zgodnie ze specyfikacjami dostarczonymi przez jego producenta.
3. Upewnij się, że gdy uchwyt na próbkę jest umieszczony pod stożkiem, odległość między dolną częścią stożka a zewnętrzną krawędzią uchwytu wynosi 23 mm.
4. Podgrzej stożek do temperatury odpowiadającej strumieniowi ciepła 5 kW/^m2.
   1. W międzyczasie schłodzić zbiornik na wodę do temperatury podanej w kroku 5, podłączyć rurki wodne do uchwytu na próbkę, otworzyć zawory i uruchomić pompę przy przepływie określonym w kroku 5. Potrząśnij uchwytem próbki, aby usunąć powietrze uwięzione wewnątrz uchwytu. Uruchom rejestrator danych i monitoruj temperaturę wody, aż temperatura wypływającej wody ustabilizuje się.
   2. Gdy zarówno stożek, jak i uchwyt próbki ustabilizują się w odpowiednich ustawionych temperaturach, zatrzymaj pompę, zamknij zawory uchwytu próbki i odłącz rurki od zaworów.
5. Umieść uchwyt na próbkę na wadze obciążeniowej i wytaruj wagę. Dodać do uchwytu próbki ilość oleju o temperaturze pokojowej, która odpowiada grubości śliskiej próbki 10 mm (tj. w oparciu o gęstość i objętość 95 ml). Następnie ponownie podłącz rurki, otwórz zawory z uszczelnieniem mieszkowym i ponownie uruchom pompę.
6. Uruchom rejestrator danych analizatora gazów, aby zmierzyć stężenia_O2, CO₂ i CO w gazach spalinowych oraz temperaturę wody wpływającej i odprowadzanej.
7. Ostrożnie umieść uchwyt na próbkę pod stożkiem i przygotuj dwa stopery. Przesuń zapalarkę iskrową na miejsce nad próbką. Następnie otwórz rolety i uruchom pierwszy stoper.
8. Po zapaleniu oleju należy jednocześnie zatrzymać pierwszy stoper i uruchomić drugi stoper. Następnie przesuń zapalarkę iskier z powrotem do pozycji neutralnej, z dala od palącej się próbki.
   1. Jeśli olej nie zapali się w ciągu 10 minut, zatrzymaj pierwszy stoper i przesuń zapalnik iskier z powrotem do pozycji neutralnej. Następnie zapal olej za pomocą ręcznej latarki butanowej i uruchom drugi stoper.
      Ostrzeżenie: Podczas spalania olejów zawierających wodę, zarówno w sposób naturalny, jak i w wyniku emulgacji, podczas spalania może dojść do wykipienia (krok 4).
9. Po ugaszeniu pożaru zatrzymaj drugi stoper, zamknij żaluzje i zatrzymaj zbieranie danych z analizatora gazów i temperatury wody chłodzącej. Następnie zatrzymaj pompę, zamknij zawory, odłącz rurki i umieść uchwyt na próbkę na wytarowanej skali. Zarejestruj masę uchwytu, w tym pozostałości po oparzeniu.
10. Oczyść uchwyt z wszelkich pozostałości spalonego oleju za pomocą lotnego rozpuszczalnika niepolarnego. Ponownie zważyć oczyszczony uchwyt, aby określić masę pozostałości. Następnie oblicz wydajność spalania i czas palenia zgodnie z opisem w kroku 4.7.
11. Dla każdego oleju, który ma być badany, powtórz kroki 7.4-7.10 dla strumieni ciepła 10, 20, 30, 40 i 50 kW/m². Usuń sadzę osadzoną na wężownicy grzałki stożkowej po każdym eksperymencie.
    1. W celu ustalenia minimalnego wymaganego strumienia ciepła potrzebnego do zapłonu sterowanego, tj. krytycznego strumienia ciepła, konieczne może być zbadanie dodatkowych strumieni ciepła. Powtórzyć kroki 7.4-7.10 dla strumieni ciepła obniżonych o 1 kW/^m2 od najniższego strumienia ciepła, przy którym nastąpiło zapłon sterowany, do momentu zbadania strumienia ciepła, dla którego zapłon sterowany nie jest obserwowany w ciągu 10 minut. Krytyczny strumień ciepła znajduje się wtedy w górnym zakresie 1 kW/^m2 tego strumienia ciepła.
       Uwaga: Bardzo lotna ropa naftowa może ulec samozapłonowi pod wpływem bardzo dużych strumieni ciepła (≥40 kW/m²), nawet przy zamkniętych żaluzjach nagrzewnicy stożkowej.

8. Temperatura powierzchni po zapłonie Eksperymenty z ropą naftową w konfiguracji COFA (Rysunek 4).

1. Umieść cylinder ze szkła Pyrex o wysokości 5 cm z identyfikatorem 16,3 cm (średnica zewnętrzna 16,9 cm) na stojaku o łącznej wysokości 35-45 cm pośrodku COFA (Rysunek 1). Umieść dwa promienniki podczerwieni (IR) zamontowane na regulowanych podstawach ze stali nierdzewnej po dwóch przeciwległych stronach szklanego cylindra z Pyrexu w poziomej odległości co najmniej 5 cm od zewnętrznej krawędzi cylindra.
   UWAGA: Dokładne specyfikacje i wymiary promienników podczerwieni nie mają znaczenia, o ile mogą one zapewnić wystarczająco wysoki strumień ciepła na powierzchnię oleju, aby zapalić ropę naftową, co zwykle wymaga 5-20 kW/^m2 do zapłonu. Zalecana jest minimalna moc 1 kW i minimalna szerokość grzałki 17 cm. Wszelkie systemy chłodzenia promienników podczerwieni, takie jak wentylatory powietrza, nie powinny ponadto wchodzić w interakcje ze plamą oleju podczas eksperymentu.
2. Aby zmierzyć temperaturę powierzchni po zapłonie ropy naftowej, zaleca się, aby strumień ciepła padał o 2-5 kW/^m2 wyższy niż jego krytyczny strumień ciepła (krok 7.11.1).
   1. Przygotuj miernik strumienia ciepła o mocy 100 kW/^m2 zgodnie z krokami 6.1.1-6.1.2 i podłącz miernik strumienia ciepła do rejestratora danych. Umieść miernik strumienia ciepła na środku szklanego cylindra z Pyrexu, skierowany do góry, na wysokości 1-2 mm poniżej górnej krawędzi cylindra. Obszar poziomy na tej wysokości wewnątrz szklanego cylindra z Pyrexu jest odtąd nazywany "płaszczyzną poziomą". Ta płaszczyzna pozioma odpowiada powierzchni plamy oleju wewnątrz szklanego cylindra z tworzywa pyrexowego.
      UWAGA: Upewnij się, że miernik strumienia ciepła można swobodnie przesuwać w płaszczyźnie poziomej, tak aby mógł mierzyć padający strumień ciepła w różnych miejscach płaszczyzny poziomej. Cylinder ze szkła Pyrex służy jedynie jako pomoc wizualna w prawidłowym umieszczeniu miernika strumienia ciepła w płaszczyźnie poziomej, więc w razie potrzeby cylinder Pyrex można wyjąć w kroku 8.2.
   2. Uruchom rejestrator danych, włącz promienniki podczerwieni i monitoruj padający strumień ciepła w środku płaszczyzny poziomej. Dostosuj padający strumień ciepła do płaszczyzny poziomej, dostosowując położenie przestrzenne promienników podczerwieni (wysokość, kąt i odległość pozioma od płaszczyzny poziomej) oraz procent ich mocy wyjściowej, aż do uzyskania pożądanego padającego strumienia ciepła.
   3. Zmierz padający strumień ciepła na zewnętrznych krawędziach płaszczyzny poziomej. We wszystkich lokalizacjach padający strumień ciepła powinien być o 2-5 kW/^m2 wyższy niż krytyczny strumień ciepła oleju, który będzie badany. W razie potrzeby dostosuj lokalizację i procent mocy wyjściowej promienników podczerwieni zgodnie z poprzednim krokiem.
   4. Po każdej regulacji położenia i mocy wyjściowej promienników podczerwieni należy zmierzyć padający strumień ciepła do płaszczyzny poziomej w jego środku i na zewnętrznych krawędziach.
   5. Powtarzać kroki 8.2.2-8.2.5 do momentu, gdy zmierzony strumień ciepła padający w całej płaszczyźnie poziomej będzie o 2-5 kW/^m2 wyższy niż krytyczny strumień ciepła wybranego oleju. Następnie wyłącz promienniki podczerwieni i wyjmij wskaźnik strumienia ciepła. W razie potrzeby umieść szklany cylinder Pyrex z powrotem na stojaku.
3. Napełnij COFA świeżą wodą (340-440 l) tak, aby poziom wody znajdował się jeden centymetr poniżej krawędzi szklanego cylindra z Pyrexu. Umieść śmigło na jednej z boków COFA skierowaną bezpośrednio w stronę szklanego cylindra Pyrex na wysokości podanej w kroku 4.
4. Umieść i zamocuj zestaw trzech termopar typu K o grubości 1 mm w odległości 1-2 mm poniżej krawędzi szklanego cylindra z Pyrexu. Ułóż termopary tak, aby mierzyły wzdłuż promienia cylindra, z zachowaniem odległości około 1-2 cm między każdą termoparą. Podłącz termopary do rejestratora danych.
5. Przymocuj zapalnik iskier z metalowym zaciskiem do metalowego pręta na metalowym stojaku, który stoi w COFA. Ustaw podstawkę tak, aby zapalarkę można było łatwo przesunąć z pozycji neutralnej do pozycji 2-3 cm nad środkową częścią szklanego cylindra z Pyrexu i z powrotem do pozycji neutralnej.
6. Zważyć ilość ropy naftowej odpowiadającą plamie oleju o grubości 5 mm w szklanym cylindrze ze szkła Pyrex (tj. w oparciu o gęstość i objętość 104 ml) w aluminiowym naczyniu.
7. Wlej ropę naftową na wodę wewnątrz szklanego cylindra Pyrex. Uważaj, aby nie wylać oleju na zewnątrz dna cylindra, wylewając olej zbyt szybko. Ponownie zważyć aluminiowe naczynie i zarejestrować rzeczywistą wagę ropy naftowej wlanej do szklanego cylindra Pyrex.
8. Powoli dodawaj wodę do COFA, aż powierzchnia oleju zetknie się z trzema termoparami. Przesuń zapalarkę iskier do pozycji nad olejem.
9. Uruchom synchronizację rejestratora danych i stopera, aby każda sekunda odpowiadała określonemu numerowi skanowania. Włącz okap wyciągowy, śmigło i zapalnik iskier. Włącz promienniki podczerwieni i ustaw moc wyjściową na wartość procentową podaną w kroku 8.2.
10. Po zapaleniu oleju zatrzymaj stoper i rejestrator danych, wyłącz zapalarkę iskier i ustaw ją w pozycji neutralnej oraz wyłącz promienniki podczerwieni i śmigło. Następnie ugasić ogień, ostrożnie umieszczając niepalną pokrywę na szklanym cylindrze z Pyrexu. Gaszenie pożaru może wymagać uprzedniego odsunięcia termopar.
11. Zbierać i utylizować ropę naftową za pomocą hydrofobowych podkładek absorpcyjnych. Spuść wodę z COFA, aż poziom wody będzie wystarczająco niski, aby ponownie zmierzyć padający strumień ciepła do płaszczyzny poziomej za pomocą miernika strumienia ciepła. Wyczyść szklany cylinder Pyrex lotnym rozpuszczalnikiem niepolarnym.
12. Wykreślić temperaturę trzech termopar w funkcji liczby skanowania. Na podstawie czasu na stoperze, odpowiedniego numeru skanowania i wykreślonego wykresu określ temperaturę powierzchni po zapłonie badanej ropy naftowej.
13. Dla każdego dodatkowego oleju, który będzie badany, powtórz kroki 8.2-8.12.

Wyniki

Rysunek 5 pokazuje krzywą parowania lekkiej ropy naftowej, która została odparowana w ciągu wielu dni do utraty 30% wagowych przy użyciu metody opisanej w kroku 2. Rysunek wyraźnie pokazuje, że po pierwszym dniu (19 godzin) wietrzenia parowania szybkość parowania ulega znacznemu zmniejszeniu, co pozwala na przerwy, o których mowa w protokole.

Rysunek 6 pokazuje czas opó...

Dyskusja

Dwie metody wietrzenia omówione w tym artykule są stosunkowo prostym przybliżeniem procesów wietrzenia, którym poddawany jest rozlany olej na wodzie¹⁷. Inne, bardziej wyrafinowane metody wietrzenia mogą być również stosowane do dostarczania zwietrzałych próbek ropy naftowej, takich jak cyrkulacyjny kanał opisany przez Brandvika i Faksnessa³⁵. Zaletą prezentowanych metod jest to, że wymagają one prostego sprzętu i mogą być łatwo prowadzone w środowisku laboratoryjnym. Powsta...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
DUC Ropa naftowa	Maersk	N/A Lekka	ropa naftowa o r = 0,853 g/ml i h = 6,750 mPa*s.
Grane Crude Oil		Statoil N/A	Ciężka ropa naftowa o r = 0,925 g/ml i h = 133,6 mPa*s.
Lepkościomierz SVM 3000 Stabinger	Anton Paar	C18IP007EN-P	Miernik lepkości i gęstości do świeżej i zwietrzałej ropy naftowej.
Laboshake RO500	Gerhardt	11-0002	Obrotowy stół wytrząsający do emulgowania mieszanin wody i olejów.
Jebao Wave Maker RW-4	Jebao	N/A	(przepływ 500-4000 L/h) używane w konfiguracji COFA do generowania prądu.
Aquabee UP 3000	Aquabee	UP 3000	Pompa akwariowa do chłodzenia miernika strumienia ciepła.
Ergonomiczna waga elektroniczna Adventurer		OHAUS AX5205	Waga obciążeniowa używana do ważenia oleju do eksperymentów COFA oraz w wykonanym na zamówienie uchwycie na próbki stożkowe do konfiguracji stożka.
Pady sorbentowe 3M	VWR	MMMAHP156	Hydrofobowe podkładki absorpcyjne służące do zbierania pozostałości oleju w celu określenia efektywności spalania ognia.
Technologia testowania ogniowego kalorymetru utraty masy	(FTT)	B11325-650-1-1608	Do testowania ropy naftowej użyto specjalnie wykonanego, okrągłego uchwytu zamiast standardowego kwadratowego uchwytu na próbki. Zawiera miernik strumienia ciepła o zakresie do 100 kW/m2.
34972A Akwizycja danych / Rejestrator danych Zespół przełączający	RS Components Ltd.	702-7958	Wyprodukowany przez Keysight Technologies. Obsługiwany przez oprogramowanie Keysight benchLink data logger 3 i wyposażony w 20-kanałowy multiplekser.
20-kanałowy multiplekser Keysight Technologies 34901A	RS Components Ltd.	702-7939	wyprodukowany przez Keysight Technologies.
Zawór z uszczelnieniem mieszkowym	Swagelok	SS-1GS6MM	Zawór przełączający do otwierania/zamykania wlotu i wylotu wody z niestandardowego uchwytu na próbki stożka do konfiguracji stożka.
Pompa perystaltyczna Kronos 50	SEKO	KRFM0210M6000	Pompa perystaltyczna służąca do chłodzenia wykonanego na zamówienie uchwytu na próbki stożka do konfiguracji stożka.
ARCTIC A28 Refrigerated Circulationr	ThermoFisher Scientific	152-5281	Zbiornik chłodzący wodę służy do chłodzenia wody chłodzącej, która przepływa przez wykonany na zamówienie uchwyt na próbki stożka do konfiguracji stożka. Zawiera sterownik cyrkulatora zanurzeniowego SC 100.
Konsola oprzyrządowania do analizy gazów z	technologią testowania ogniowego wkładki kanałowej (FTT)	B11328-650-1-1609	Analizator gazów do O2, CO2 i CO. Wykorzystuje jednostkę przełączającą akwizycję danych / rejestrator danych 34972A.
Ceramika & Technologia testowania ogniowego elektrod ze stali nierdzewnej 2,5 mm	(FTT)	M015-4	Zapalnik iskrowy z kalorymetru utraty masy. Używany w konfiguracji COFA do pomiaru temperatury powierzchni po prażeniu.
Moduł emitera podczerwieni M110/348	Heraeus	80046199	Oryginalny Promiennik podczerwieni, na którym oparto nową konstrukcję z chłodzonym wodą uchwytem na elementy grzejne. Zawiera dwa dwururowe emitery fal krótkich (09751751). Obsługiwany przez sterownik mocy typu CB1x25 P.
Kontroler mocy Heratron	Regulator mocy Heraeus		80055836 Typ CB1x25 P do promienników podczerwieni.