Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Experimentele Procedure voor laboratoriumonderzoek van In Situ branden: ontvlambaarheid en branden efficiëntie van ruwe olie

doi: 10.3791/57307 Published: May 1, 2018

Summary

Hier presenteren we een protocol om te studeren tegelijk de ontvlambaarheid en brandende efficiëntie van verse en verweerd ruwe olie onder omstandigheden die simuleren in situ branden operaties op zee.

Abstract

Een nieuwe methode voor de gelijktijdige studie van de ontvlambaarheid en brandende efficiëntie van verse en verweerd ruwe olie door twee experimenteel laboratorium opstellingen wordt gepresenteerd. De experimenten zijn gemakkelijk herhaalbaar vergeleken met operationele schaal experimenten (zwembad diameter ≥2 m), terwijl nog het kenmerken heel realistisch in situ branden voorwaarden van ruwe olie op water. Experimentele omstandigheden omvatten een stromende water sublaag dat koelt de olievlek en een externe warmtestroom (maximaal 50 kW/m2) dat de hogere warmte feedback aan de oppervlakte van de brandstof in operationele schaal ruwe olie zwembad branden simuleert. Deze voorwaarden kunnen een gecontroleerde laboratorium-studie van de brandende efficiëntie van ruwe olie zwembad branden die gelijkwaardig zijn aan operationele schaal experimenten. De methode biedt ook kwantitatieve gegevens over de vereisten voor aansteken ruwvet in termen van de kritische warmtestroom, ontsteking vertragingstijd als een functie van de invallende warmtestroom, de oppervlaktetemperatuur op ontsteking en de thermische inertie. Dit type gegevens kan worden gebruikt om te bepalen van de vereiste kracht en de duur van een ontstekingsbron te ontbranden van een bepaald type van vers of verweerde ruwe olie. De belangrijkste beperking van de methode is dat het koelend effect van het stromende water sub laag op de brandende ruwe olie als een functie van de externe warmtestroom is nog niet volledig gekwantificeerd. Experimentele resultaten bleek duidelijk dat het stromende water sublaag verbetert hoe representatief deze instelling is van in situ brandende voorwaarden, maar in welke mate deze voorstelling nauwkeurig is is momenteel onzeker. De methode biedt toch de meest realistische in situ branden laboratoriumomstandigheden momenteel beschikbaar voor gelijktijdig het bestuderen van de ontvlambaarheid en het branden van de efficiëntie van ruwe olie op water.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

In situ verbranden van gemorste ruwe olie op water is een mariene olie lekkage reactie methode waarbij de gemorste olie op het wateroppervlak door het te branden en te converteren naar roet en gasvormige verbrandingsproducten worden verwijderd. Deze reactie-methode werd succesvol toegepast tijdens de Exxon Valdez1 en Deepwater Horizon2 olievlekken en wordt regelmatig genoemd als een mogelijke olie lekkage reactie methode voor de Arctic3,4,5 ,6. Twee van de belangrijkste parameters die bepalen of in situ verbranding van olie succesvol als een spill response-methode zijn zal zijn de ontvlambaarheid en de brandende efficiëntie van de olie. De eerste parameter, ontvlambaarheid, beschrijft hoe gemakkelijk een brandstof tot ontbranding kan worden gebracht en kan leiden tot de vlam verspreidt over het oppervlak van de brandstof om te resulteren in een volledig ontwikkelde brand. De tweede parameter, branden van efficiëntie, drukt het bedrag van de olie (in wt %), dat effectief door het vuur van het wateroppervlak wordt verwijderd. Het is dus relevant zijn voor het begrijpen van de ontvlambaarheid en de verwachte brandende efficiëntie van verschillende ruwe olie onder in situ branden voorwaarden.

De ontsteking van olie slicks op water voor in situ branden doeleinden wordt vaak aangesproken als een praktisch probleem, met de kwalitatieve discussies over ontsteking systemen5,7,8,9. De praktische aanpak van de ontsteking van gemorste olie als een binaire probleem en etikettering oliën "damp" of "niet kPaa" (bijvoorbeeld Brandvik, Fritt-Rasmussen, et al.. 10) klopt, echter vanuit een fundamenteel oogpunt. In theorie, een brandstof ontbranding kan worden gebracht een passende ontstekingsbron gegeven. Daarom is het relevant zijn voor het kwantificeren van de eisen van de ontsteking voor een breed scala van verschillende ruwe olie typen om de eigenschappen van een ruwe olie die het als "niet kPaa bestempelen zou" beter te begrijpen. Voor dit doel, kan de ontwikkelde methode worden gebruikt om te studeren de vertragingstijd van de ontsteking van een olie als een functie van de invallende warmtestroom, de kritische warmtestroom van de olie en de thermische inertie, d.w.z. hoe moeilijk het is om het opwarmen van de olie.

In een eerdere studie, we gepostuleerd dat de belangrijkste parameter die de brandende efficiëntie regelt is de feedback van de warmte om de brandstof-oppervlakte11, die een functie van de diameter van het zwembad. De theorie verklaart de schijnbare zwembad grootte afhankelijkheid van de brandende efficiëntie op basis van laboratoriumonderzoek rapportage lage brandende efficiëntie (32-80%)8,12,13 en grootschalige studies (zwembad diameter ≥2 m) rapportage hoge brandende efficiëntie (90-99%)14,15,16. De methode hierin besproken werd ontworpen om de voorgestelde theorie te testen. Door kleine schaal laboratoriumexperimenten te onderwerpen aan een constante externe warmtestroom, kan de hogere warmte feedback voor grootschalige zwembad branden onder gecontroleerde laboratoriumomstandigheden worden gesimuleerd. Als zodanig, kunt de ontwikkelde methode bestuderen van de brandende efficiëntie effectief als een functie van de diameter door het variëren van de externe warmtestroom.

Naast een externe warmtestroom te simuleren van de grotere omvang van in situ branden operaties, de functie van de experimentele opstellingen koeling van de olieramp door een koudwater stroom, simuleren het koelend effect van de huidige zee. De besproken methode is bovendien compatibel met zowel verse als verweerde ruwe olie. De verwering van ruwe olie beschrijft de fysische en chemische proces die invloed hebben op een ruwe olie zodra het wordt gemorst op het water, zoals het verliezen van zijn vluchtige bestanddelen en mengen met water tot vorm water-in-olie emulsies (bijvoorbeeld AMAP17). Verdamping en membraanemulsificatie zijn twee van de belangrijkste verwering processen die van invloed zijn op de ontvlambaarheid van ruwe olie18 en protocollen voor het simuleren van deze processen van verwering zijn daarom opgenomen in de besproken methode.

Hierin presenteren wij een nieuwe laboratorium-methode die bepaalt de ontvlambaarheid en brandende efficiëntie van ruwe olie onder omstandigheden die simuleren in situ branden operaties op zee. Eerdere studies over de ontvlambaarheid en brandende efficiëntie van ruwe olie featured vergelijkbare zowel verschillende methoden. De ontvlambaarheid van verse en verweerd ruwe olie als een functie van een externe warmtestroom werd bestudeerd op water19 en onder Arctische temperaturen20. Brandende efficiëntie studies meestal concentreren op verschillende soorten verse en verweerde ruwe oliën en milieuomstandigheden op een vaste schaal (bijvoorbeeld Fritt-Rasmussen, et al.. 8Bech, Sveum, et al.. 21). een recente studie op het verbranden van ruwe olie die door chemische herders is, tot de kennis van de auteurs, de eerste studie van de brandende efficiëntie voor klein, gemiddeld, en grootschalige experimenten onder soortgelijke voorwaarden13. Grootschalige experimenten zijn echter niet beschikbaar voor parametrische studies vanwege de uitgebreide hoeveelheid tijd en middelen die nodig zijn voor het uitvoeren van dergelijke experimenten. Het belangrijkste voordeel van de onderhavige methode over de eerder genoemde studies is dat het mogelijk maakt voor het gelijktijdig studeren beide de ontvlambaarheid en branden van efficiëntie van ruwe olie onder semi-realistische omstandigheden. De combinatie van het bestuderen van deze twee parameters voor ruwe olie als een functie van zowel verschillende olie-soorten en de diameter van de (gesimuleerde) zwembad door gemakkelijk herhaalbare experimenten was eerder niet haalbaar in de praktijk.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Dit protocol maakt gebruik van twee verschillende experimentele opstellingen die worden gebruikt in stappen 4-8, zoals aangegeven in de bijgevoegde schema's. De instelling van de eerste is de ruwe olie ontvlambaarheid apparaat (COFA) (Figuur 1 en Figuur 4), oftewel een 1.0 × 1.0 × 0,50 m3 metalen waterbassin ontworpen om uit te voeren op kleine schaal in situ verbranden van aardolie experimenten, zoals bijvoorbeeld in Van Gelderen, Brogaard, et al.. 22 de tweede setup is een kegel kachel23 met een vonk ontstekingen die beschikt over een op maat gemaakte monsterhouder en een gas analyzer die het O2, CO2 meet, en CO-concentraties in de uitlaat duct24 (Figuur 2 en Figuur 3). De technische specificaties van deze opstellingen zijn extra gedetailleerd beschreven in het aanvullend Document, waarin ook foto's van de opstellingen. Tenzij anders is bepaald, worden gegevens metingen (b.v., temperaturen, warmte stromen of gasconcentraties) digitaal gemeten via een multiplexer en data logger. De dataloggers worden bediend met een digitale data acquisitie programma. In het protocol omvat de zinsnede "start de datalogger" alle acties volgens de instructies van het programma, zoals bepaald door de fabrikant, die nodig is om te beginnen met de overname van gegevens zijn.

1. algemene behandeling van ruwe olie

  1. Voor elke verse olie die bestudeerd zullen worden, neemt een 5 mL monster en meet de dichtheid en de viscositeit bij 25 ° C in een viscosimeter. Bewaar de rest van de olie bij 5-10 ° C in een gesloten glazen fles tot verder gebruik.
    Let op: Verse ruwe olie is zeer brandbaar en zowel ruwe olie en de dampen vormen een matige tot hoge gezondheidsrisico's. Het is bovendien moeilijk te reinigen van de huid of ogen met ongevaarlijke chemicaliën zoals zeep. Veiligheidsbril en handschoenen te dragen bij de verwerking van ruwe olie en werken in een goed geventileerde plaats.
  2. Aan het begin van elke testsessie, nemen de ruwe olie die uit de gekoelde opslag van (5-10 ° C) zal worden getest. Elke olie container met de hand schudden voor 1-2 min en laat ze warmte tot kamertemperatuur vóór het uitvoeren van experimenten. De ruwe olie terug naar de gekoelde opslag tussen test sessies.
  3. Schoon alle oppervlakken die per ongeluk besmet met ruwe olie met behulp van een vluchtige apolaire oplosmiddelen (e.g.,n-heptaan).

2. door verdamping verwering van ruwe olie door borrelende perslucht door de olie

Opmerking: Deze stap is gebaseerd op stuiver en Mackay25 en Buist, Potter, et al.. 26

  1. Boor een aantal gaten (bijvoorbeeldzes met een diameter (D) van 5 mm) gelijkmatig verdeeld in het deksel van een plastic container van 5-10 L en boor een één gat (b.v.,D = 8-10 mm) in een van de zijkanten van de container in de buurt van de bovenkant van het papier.
  2. Maken van een O-ring (ongeveer D = 20 cm) met een bijgevoegde open verbinding uit kunststof buizen met een binnendiameter van 4-6 mm (id) en boor een aantal gaten (b.v., zes met D = 1 mm) gelijkmatig verspreid langs een kant van de O-ring.
    Opmerking: Probeer ter compensatie van de verticale positie van de gaten in de deksel van de gaten in de O-ring om te minimaliseren van de hoeveelheid ruwe olie uit de container wordt geblazen.
  3. De O-ring verbinden met een plastic buis (bijvoorbeeld I.D. van 4-8 mm), die door het gat van de kant van de plastic container gaat. Deze buis zal worden aangesloten op een perslucht systeem met een regelende klep en een manometer.
  4. Weeg het deksel en de plastic container met de plastic O-ring afzonderlijk en registreren van hun gewicht.
  5. 2-4 L van ruwe olie (gebaseerd op de dichtheid) wegen in de container en het gewicht te registreren.
  6. Plaats de container in een zuurkast en sluit de O-ring aan het perslucht systeem. Bubble lucht door de olie bij een druk die is zo hoog mogelijk (bijvoorbeeld 200 kPa) zonder olie te blazen door de gaatjes in het deksel van de container.
  7. Weeg de olie aan het begin en einde van elke werkdag om te controleren wanneer de gewenste verdampingsemissies verwering staat (in wt % verloren) wordt bereikt (bijvoorbeeld 20 wt % verloren ten opzichte van het oorspronkelijke gewicht). Dit kan duren van één dag tot meer dan een week van continue borrelt, afhankelijk van de olie type en de bandenspanning. Elke meting van tussentijdse gewicht wordt gebruikt om een verdamping-curve als een functie van de tijd, die helpt bij het voorspellen van de verdamping van de nodige tijd om de gewenste verdampingsemissies verwering staat te bereiken.
    Opmerking: Na de eerste dag, de ruwe olie kan meestal worden overgelaten in de zuurkast voor meerdere dagen (bv in het weekend) zonder aanzienlijke hoeveelheid massa verliezen wanneer de perslucht wordt gesloten.
  8. Zodra de verdamping van de ruwe olie is voltooid, neemt een monster 5 mL van de olie en meet de dichtheid en de viscositeit bij 25 ° C in een viscosimeter. Bewaar de rest van de olie bij 5-10 ° C in een gesloten glazen fles voor verder gebruik. Reinig de container, deksel en O-ring met een vluchtige niet-polair oplosmiddel te verwijderen elke ruwe olie blijft.

3. membraanemulsificatie van ruwe olie met behulp van een Rotary schudden tabel

Opmerking: Dit gedeelte van het protocol is gewijzigd van Daling, M., et al.. 27

  1. Een totaal van 900 mL van ruwe olie en zoet of zout water mengsel aan een 1 L fles, toevoegen met de hoeveelheid water die overeenkomen met de gewenste vol % in de emulsie. Bijvoorbeeld, bestaat een emulsie met 40 vol % watergehalte uit 540 mL van ruwe olie en 360 mL water. Het is aangeraden om verdampte ruwe olie te gebruiken, in plaats van verse ruwe olie, nauwkeuriger presenteren de verwering verwerkt van gemorste olie op open water en maken meer stabiele emulsies.
    Opmerking: Het is belangrijk dat de fles is niet volledig gevuld zodat er ruimte vrij turbulente menging van de olie en het water beschikbaar is.
  2. Krachtig schud het water-olie mengsel met de hand voor 1-2 min. Vervolgens plaatst u de fles op een draaitafel schudden en roer het water-olie mengsel bij 175 omwentelingen per minuut gedurende 20 uur bij kamertemperatuur.
    Opmerking: Om te voorkomen dat problemen met de scheiding van het water laag van de emulsie, uitvoering van de experimenten met de emulsie op dezelfde dag als wanneer de 20u schudden periode is voltooid.
  3. Neemt een 5 mL monster van de emulsie na het schudden periode 20u en meet de dichtheid en de viscositeit bij 25 ° C in een viscosimeter.
  4. Als de emulsie is unstable (zie hieronder), plaats van de emulsie terug op de tafel schudden rotary en voortdurend schudden de emulsie op 175 rpm tussen experimenten. Aan het begin van elk experiment, handmatig stoppen de rotary schudden van de tabel, het normbedrag van emulsie (stap 7.5) nemen en vervolgens terug te sturen naar de rotary schudden van de tabel. Zodra alle experimenten zijn uitgevoerd met de emulsie, stoppen de rotary schudden van de tabel en sla de emulsie in gekoelde opslag van (5-10 ° C).
  5. Als de emulsie stabiel is, het verwijderen van de emulsie van de draaitafel schudden en laat het rusten op kamertemperatuur. Schudden met de hand de emulsie krachtig gedurende 1-2 minuten alvorens de benodigde hoeveelheid olie voor elk experiment. Zodra alle experimenten zijn uitgevoerd met de emulsie, opslaan in gekoelde opslag van (5-10 ° C).
    Opmerking: Voor de toepassing van dit protocol, unstable emulsies zijn gedefinieerd als emulsies die een duidelijk zichtbaar water laag met enkele uren, dat wil zeggen vóór het einde van een typische werkdag vormen.

4. verwijzing in Situ branden experimenten in de COFA (Figuur 1) voor het kalibreren van de Waterkoeling in de Setup van de kegel

  1. Plaats een 5 cm hoge Pyrex glazen cilinder en een I.D. van 16,3 cm (buitendiameter van 16.9 cm) op een stand, met een gecombineerde hoogte van 35-45 cm, in het midden van de COFA. De vorm van de houder is niet relevant, zolang het zorgt voor een vrije doorstroming van water onder het verdragsgebied van de Pyrex glazen cilinder. Vul de COFA met zoet water (340-440 L) zodat de waterstand 1 cm onder de rand van de Pyrex glazen cilinder is.
  2. Plaats een propeller op één van de kanten van de COFA, recht tegenover de Pyrex glazen cilinder. Zet de schroef en pas de verticale hoogte en stromen zodat de golven zijn gewoon nauwelijks waarneembare in het water binnen de Pyrex glazen cilinder. Registreer de verticale hoogte en stroom houding (bijvoorbeeld, 1000 L/h) en de propeller uitschakelen voordat u doorgaat het protocol.
    Opmerking: De propeller wordt gebruikt voor het maken van een stroom in het waterlichaam dat effectief het water laag onder de brandende ruwe olie koelt om te voorkomen dat de boilover fenomeen28,29. De aanvankelijk ingestelde stroom en de verticale hoogte van de propeller kan niet voldoende koeling van de sub laag water, en een boilover dan nog steeds optreedt.
    Let op: Een boilover is een explosieve brandende staat met een aanzienlijk hogere vlam height, verbrandingssnelheid en release warmteverbruik tijdens welke olie druppels zijn wegspringen uit de brand29,30,31. Ervoor zorgen dat kwetsbare apparatuur beschermde (b.v.met aluminiumfolie) en houden van personeel en materieel op de juiste afstand van het vuur.
  3. Weeg af een hoeveelheid ruwe olie gelijk aan een 5 mm dikke olievlek in de Pyrex glazen cilinder (dat wil zeggen, op basis van de dichtheid en een volume van 104 mL) in een aluminium schotel.
  4. Giet de ruwe olie op het water binnen de Pyrex glazen cilinder. Wees voorzichtig niet te morsen olie buiten de bodem van de cilinder door het gieten van de olie te snel. De aluminium schotel opnieuw wegen en registreren van het werkelijke gewicht van de ruwe olie gegoten in de cilinder van Pyrex glas.
  5. Voeg langzaam water toe aan de COFA totdat het oppervlak van de olievlek 1-2 mm onder de rand van de Pyrex glazen cilinder is. Dit hoogteverschil is belangrijk om te voorkomen dat de olie overlopen op ontsteking.
  6. Zet de kap van de uitlaat en de propeller. Vervolgens de ruwe olie met behulp van een butaan hand fakkel ontsteken en de brandende tijd vanaf het moment van ontsteking tot het moment van uitsterven met een stopwatch meten.
  7. Na de brand is geblust natuurlijk, verzamelen de olie nog op het wateroppervlak (bekend als het branden residu) hydrofobe absorptie pads met een bekende gewicht. Verzamelde water afschudden vóór de weging van de pads om te bepalen van het gewicht van de residua. De brandende efficiëntie wordt dan berekend met behulp van Eq. (1) en de verbrandingssnelheid is berekend door het verschil tussen de aanvankelijke massa en de massa van het residu door de brandende tijd (in seconden).
    Equation 1(1)
  8. In gevallen waar het vuur in een boilover resulteert, Herhaalstap protocol 4 door drainage water uit de COFA totdat het wateroppervlak weer één centimeter onder de rand van Pyrex glas cilinder is. Reinig de randen van de Pyrex glazen cilinder met een vluchtige, apolaire oplosmiddelen. Dan verminderen de verticale afstand tussen de schroef en de Pyrex glazen cilinder en/of verhogen van de houding van de stroom van de propeller en protocol Herhaaldestappen 4.3-4.8.
  9. In het geval dat het vuur niet eindigt met een boilover, gebruik de berekende brandende efficiëntie en de verbrandingssnelheid in stap 4.7 kalibreren van het water koeling in de setup van de kegel.

5. kalibratie van de Waterkoeling voor de Setup van de kegel (Figuur 2 en Figuur 3).

  1. Het aanprikken van een flexibele kunststof buis (4 mm ID) op een centimeter van haar die eindigde met een 1 mm dikke K-Type thermokoppel zodat de thermokoppel Parel vrij is opgeschort in de buis. Fix het thermokoppel met polytetrafluorethyleen (PTFE) tape en aluminium tape om ervoor te zorgen dat de thermokoppel niet wordt verplaatst en dat water niet uit de punctie doet lekken. De thermokoppel verbinden met een datalogger.
    1. Herhaal stap 5.1 voor een buis met een roestvrij-stalen buis-adapter en voeg het thermokoppel direct onder de adapter van de buis.
  2. Plaatsen en herstellen van de eerste kunststof buis met zijn einde met de thermokoppel zo ver op de bodem van de koeling reservoir mogelijk. Sluit het andere uiteinde van de buis aan de inlaat van een peristaltische pomp met een regelbare flow snelheid.
  3. Een nieuwe plastic buis sluit aan op de wandcontactdoos van de peristaltische pomp en sluit het andere uiteinde van deze plastic buis aan de adapter van een roestvrij stalen buis. Sluit de adapter van de buis aan een ventiel balg-verzegeld en sluit de klep balg-verzegeld aan de monsterhouder kegel. Zorg ervoor dat de verbindingen niet water lekt door het gebruik van PTFE tape tussen de verbindingen wanneer dat nodig is.
  4. De andere kant van de monsterhouder kegel verbinden met een balg-gesloten klep, die vervolgens op de adapter van de buis van de buis met een thermokoppel onder de adapter is aangesloten. Het andere uiteinde van deze buis is geplaatst en bevestigd aan de bovenkant van de koeling reservoir zodat het uitstromende water keert terug naar de koeling reservoir.
    Opmerking: Zorg ervoor dat de buis van de inlaat en uitlaat buis voldoende ruimtelijke afstand in het reservoir hebben zodat verwarmd water is niet direct warmtebehandelingsproces, maar om af te koelen neer in het reservoir vóór het opnieuw circuleren krijgt.
  5. Plaats de monsterhouder met de aangesloten buizen onder de kegel kachel. De hoogte van de houder zodanig aanpassen dat de buitenste rand 23 mm vanaf de onderkant van de kegel kachel is. Zorg ervoor dat de buizen van voldoende lengte zijn zodat de monsterhouder kunt gemakkelijk onder de kegel kachel worden geplaatst zodra de monsterhouder de ruwe olie bevat.
  6. Vul de koeling reservoir met gedemineraliseerd water en koel het water tot een gekozen temperatuur (b.v.,12 ° C). Open de kleppen balg-verzegeld en start de waterstroom door middel van de monsterhouder in een gekozen flow (bijv. 7 L/h). Schud de houder om eventuele resterende lucht uit de houder te verwijderen, zodat de houder wordt volledig gevuld met water.
  7. Start de datalogger en continu toezicht op de temperatuur van het in- en uitstromende water. De pomp stoppen zodra de temperatuur van het uitstromende water gestabiliseerd (dit is meestal een paar graden boven de temperatuur instellen reservoir), sluiten de kleppen balg-verzegeld, en zet op de kap van de uitlaat.
  8. Plaats de monsterhouder op schaal belasting en tarra van de schaal. Een hoeveelheid olie toevoegen aan de monsterhouder die correspondeert met een gladde dikte van 10 mm (dat wil zeggen, op basis van de dichtheid en een volume van 95 mL). Vervolgens opent de balg-verzegeld kleppen en de pomp opnieuw te beginnen.
  9. Plaats de monsterhouder zorgvuldig onder de kachel kegel en de olie met een butaan hand fakkel ontsteken. De brandende tijd vanaf het moment van ontsteking tot het moment van uitsterven met een stopwatch meten.
    Let op: Branden wanneer oliën die water bevatten, natuurlijk of als gevolg van membraanemulsificatie, een boilover treedt op tijdens het branden (Zie ook stap 4).
  10. Na de brand is geblust, stop de pomp, sluiten de kleppen, loskoppelen van de buizen en plaats van de monsterhouder op een getarreerde schaal. Het gewicht van de houder, met inbegrip van het branden residu te registreren.
  11. Reinig alle residuen van de verbrande olie van de houder met een vluchtige apolaire oplosmiddelen. Weeg de schoongemaakte houder nogmaals en controleer het gewicht van het residu. Vervolgens berekent de brandende efficiëntie en verbrandingsduur zoals beschreven in stap 4.7.
  12. In het geval dat de brandende efficiëntie en verbrandingssnelheid overeenkomen met de resultaten van protocol stap 4, de temperatuur van het water en stroom zijn nu gekalibreerd en kunnen worden gebruikt in de volgende stap van het protocol. In het geval dat de brandende efficiëntie en de verbrandingssnelheid niet overeenkomen met de resultaten van protocol stap 4, kies een nieuwe reservoir temperatuur en/of nieuwe stroom dienovereenkomstig. Sluit de buizen naar de monsterhouder, openen van de kleppen, start de pomp, schud de houder Schakel eventuele lucht en herhaalt u stappen 5.7-5.12.
    Opmerking: Het niet mogelijk om zowel overeen met de brandende efficiëntie als de verbrandingssnelheid. Met het oog op het protocol beschreven, het brandende efficiëntie is belangrijker en zo nauwkeurig mogelijk moet worden gekoppeld. Bij het testen van meerdere oliën, kunnen de watertemperatuur en debiet worden gekalibreerd voor ofwel een olie, of voor elke olie afzonderlijk. Tijdens het kalibreren van de temperatuur van het water en stroom voor iedere olie afzonderlijk kan simuleren de olie branden op water nauwkeuriger, ontsteking vertraging tijd resultaten van verschillende oliën (stap 6) kunnen meer gemakkelijk bij vergeleken met behulp van een vaste watertemperaturen en stromen voor elke experiment.

6. kalibratie van de kegel kachel (Figuur 2-3).

  1. Kalibreren van de correlatie tussen de temperatuur van de kachel kegel en de warmte flux uitvoer met behulp van een watergekoelde warmtestroom meten met een maximale capaciteit van 100 kW/m2.
    1. Plaats een aquarium pomp in een emmer en vul de emmer met koud leidingwater, zodat de pomp volledig is ondergedompeld.
    2. Sluit de aquarium pomp aan de warmte flux peilen met een plastic buis. Sluit een tweede plastic buis aan de warmte flux peilen en bevestigen van het andere uiteinde van de buis in de emmer, iets boven het wateroppervlak, zodat water stroomt uit de buis gemakkelijk kan worden waargenomen. Zet de pomp en zorgen dat een gestage stroom van water door de warmte flux gauge stroomt.
    3. Zet op de kap van de uitlaat en opwarmen van de kegel tot 200 ° C. Plaats de warmte flux gauge (naar boven) 25 mm onder het midden van de kegel en de warmte flux meter verbinden met de datalogger. Start de datalogger, open de luiken, meten de warmtestroom gedurende 5-10 minuten totdat een stabiele warmtestroom lezen wordt verworven, stoppen de data-acquisitie en sluiten van de luiken.
    4. Herhaal stap 6.1.3 bij kegel temperaturen van 300, 400, 500, 600, 700, 720, 740, 760, 780 en 800 ° C.
  2. Bepalen de kegel temperaturen die corresponderen met warmte stromen van 3-50 kW/m2 met behulp van de punten gemeten gegevens en uitgaande van een lineaire correlatie tussen de gegevenspunten.

7. ontvlambaarheid experimenten van ruwe olie in de kegel Setup (Figuur 2-3)

  1. Aan het begin van elke testsessie, neem contact op met de warmtestroom meten of de temperatuur van de kegel overeenkomt met een warmtestroom van 10 kW/m2 nog steeds geeft de juiste lezing (±5%). Zo ja, gaat u verder met het protocol. Als dat niet het geval is, herhaalt u stap 6 voordat u verdergaat.
  2. Aan het begin van elke test sessie, schakelen op de kap van de uitlaat, de gas analyzer inschakelen en kalibreren van de gas analyzer volgens de specificaties van de fabrikant.
  3. Zorg ervoor dat wanneer de monsterhouder wordt geplaatst onder de kegel, een afstand van 23 mm tussen de onderkant van de kegel en de buitenste rand van de houder.
  4. De kegel tot een temperatuur die overeenkomt met een warmtestroom van 5 kW/m2verwarmen.
    1. In de tussentijd cool het waterreservoir aan de temperatuur gevonden in stap 5, de water-buizen verbinden met de monsterhouder, de kleppen open en start de pomp in de flow, gevonden in stap 5. Schud de monsterhouder Schakel eventuele lucht gevangen in de houder. Start de datalogger en controleren van de temperatuur van het water totdat de temperatuur van het uitstromende water heeft gestabiliseerd.
    2. Zodra zowel de kegel en de monsterhouder bij hun respectieve ingestelde temperaturen stabiliseren, stop de pomp, sluiten de kleppen van de monsterhouder en loskoppelen van de buizen van de kleppen.
  5. Plaats de monsterhouder op schaal belasting en tarra van de schaal. Een hoeveelheid olie bij kamertemperatuur aan de monsterhouder die correspondeert met een gladde dikte van 10 mm (dat wil zeggen, op basis van de dichtheid en een volume van 95 mL) toevoegen. Daarna weer de buizen, de balg-verzegeld kleppen openen en de pomp opnieuw te beginnen.
  6. De datalogger voor de gas analyzer voor het meten van de O-2, CO2en CO-concentraties in de verbrandingsgassen en de temperatuur van het water voor de in - en uitgaand - flowing starten
  7. Zorgvuldig plaatst de monsterhouder onder de kegel en twee stopwatches klaar. De vonk ontstekingen positie zetten over het monster. Vervolgens de luiken open en start de eerste stopwatch.
  8. Bij ontsteking van de olie, gelijktijdig stopt de eerste stopwatch en start van de tweede stopwatch. Verplaats de vonk ontstekingen terug in de neutrale positie van het brandende monster.
    1. Als de olie niet binnen 10 min ontbranden doet, stopt de eerste stopwatch en de vonk ontstekingen terug zijn neutrale positie zetten. Vervolgens de olie met behulp van een butaan hand fakkel ontsteken en start de tweede stopwatch.
      Let op: Branden wanneer oliën die water bevatten, treedt natuurlijk of als gevolg van membraanemulsificatie, een boilover op tijdens het branden (stap 4).
  9. Na de brand is geblust, stoppen de tweede stopwatch, sluit u de luiken en stoppen van de data-acquisitie van de gas analyzer en koeling van de temperatuur van het water. Dan stoppen met de pomp, sluiten de kleppen, loskoppelen van de buizen en de monsterhouder te plaatsen op een getarreerde schaal. Het gewicht van de houder, met inbegrip van het branden residu te registreren.
  10. De houder van een residu van de verbrande olie met een vluchtige apolaire oplosmiddelen reinigen. Weeg de schoongemaakte houder nogmaals en controleer het gewicht van het residu. Vervolgens berekent de brandende efficiëntie en verbrandingsduur zoals beschreven in stap 4.7.
  11. Voor elke olie thats te beproeven, herhaalt u stappen 7.4-7.10 voor warmte stromen van 10, 20, 30, 40 en 50 kW/m2. Verwijder alle roet gestort op de kegel kachel spoel na elk experiment.
    1. Teneinde dat de minimaal vereiste warmtestroom nodig voor bestuurbare ontsteking, d.w.z. de kritische warmtestroom, wellicht voor het testen van extra warmte stromen. Herhaal stap 7.4-7.10 voor warmte fluxen verlaagd met 1 kW/m2 stappen van de laagste warmtestroom op welke uitgeteste ontsteking opgetreden totdat een warmtestroom is getest waarvoor uitgeteste ontsteking niet wordt nageleefd binnen 10 min. De kritische warmtestroom komt dan binnen een 1 kW/m2 bovenste bereik van deze warmtestroom.
      Let op: Zeer vluchtige ruwe olie kan spontaan ontbranden wanneer onderworpen aan zeer hoge warmte stromen (≥40 kW/m2), zelfs wanneer de luiken van de kegel kachel zijn gesloten.

8. oppervlaktetemperatuur op ontsteking experimenten van ruwe olie in het COFA-Setup (Figuur 4).

  1. Plaats een 5 cm hoge Pyrex glazen cilinder met een id van 16,3 cm (OD van 16.9 cm) op een stand, met een gecombineerde hoogte van 35-45 cm, in het midden van de COFA (Figuur 1). Plaats twee infrarood (IR) kachels gemonteerd op verstelbare edelstaal fundering op twee tegenovergestelde kanten van de Pyrex glazen cilinder op een horizontale afstand van ten minste 5 cm van de buitenrand van de cilinder.
    Opmerking: De nauwkeurige specificaties en afmetingen van de IR-kachels zijn irrelevant, zolang zij een voldoende hoog warmtestroom aan de oppervlakte van de olie te ontsteken van ruwe olie, waarvoor meestal 5-20 kW/m2 voor ontsteking kunnen bieden. Een minimaal vermogen van 1 kW en minimum kachel breedte van 17 cm worden geadviseerd. Elke koelsystemen van de IR-kachels, zoals lucht ventilatoren, moeten bovendien geen interactie met de olievlek tijdens het experiment.
  2. Voor het meten van de oppervlaktetemperatuur op ontsteking van een ruwe olie, een incident warmtestroom van 2-5 kW/m2 hoger is dan de kritische warmtestroom (stap 7.11.1) wordt geadviseerd.
    1. Een 100 kW/m2 warmte flux meten volgens de stappen 6.1.1-6.1.2 voor te bereiden en de warmte flux meter verbinden met een datalogger. Plaats de warmtestroom meten in het midden van de Pyrex glazen cilinder, naar boven, op een hoogte van 1-2 mm onder de bovenrand van de cilinder. Het horizontale gebied op deze hoogte binnen de Pyrex glazen cilinder wordt vanaf hier aangeduid als "het horizontale vlak". Deze horizontale vlak komt overeen met het oppervlak van een olievlek in de cilinder van Pyrex glas.
      Opmerking: Zorg ervoor dat de warmte flux meter worden vrij in het horizontale vlak verplaatst kan zodat het de invallende warmtestroom op verschillende locaties van het horizontale vlak kan meten. De Pyrex glazen cilinder alleen functies als een visueel hulpmiddel voor het correct plaatsen van de warmtestroom meten horizontaal vlak, zodat indien nodig, de cilinder Pyrex in stap 8.2 kan worden verwijderd.
    2. Start de datalogger, de IR-verwarmingsautomaten inschakelen en controleren van de invallende warmtestroom in het midden van het horizontale vlak. Tune de invallende warmtestroom op het horizontale vlak door de ruimtelijke locatie van de IR-verwarmingsautomaten (hoogte, hoek en horizontale afstand van het horizontale vlak) en hun macht output percentage aan te passen totdat de gewenste invallende warmtestroom wordt verkregen.
    3. Het meten van de invallende warmtestroom aan de buitenste randen van het horizontale vlak. Op alle locaties moet de invallende warmtestroom 2-5 kW/m2 hoger is dan de kritische warmtestroom van de olie die zal worden getest. De locatie en de power output percentage van de IR-verwarmingsautomaten volgens de vorige stap, aanpassen indien nodig.
    4. Na elke aanpassing van de locatie en power output van de IR-Verwarming, meten de invallende warmtestroom op het horizontale vlak bij het centrum en de buitenste randen.
    5. Herhaal de stappen 8.2.2-8.2.5 om de gemeten invallende warmtestroom in het horizontale vlak is 2-5 kW/m2 hoger is dan de kritische warmtestroom van de geselecteerde olie. Vervolgens uitschakelen met de IR-kachels en verwijder de warmte flux gauge. Plaats de Pyrex glazen cilinder terug op zijn tribune, indien nodig.
  3. Vul de COFA met zoet water (340-440 L) zodat de waterstand één centimeter onder de rand van de Pyrex glazen cilinder is. Plaats een propeller op één van de kanten van de COFA, recht tegenover de Pyrex glazen cilinder op het hoogtepunt, gevonden in stap 4.
  4. Plaatsen en monteren van een set van drie 1 mm dik K-Type thermokoppel op 1-2 mm onder de rand van de Pyrex glazen cilinder. Schik de thermokoppels zodat ze langs de straal van de cilinder, met een afstand van ongeveer 1-2 cm tussen elke thermokoppel meten. De thermokoppels verbinden met een datalogger.
  5. Bevestig een vonk ontstekingen met een metalen klem aan een metalen staaf op een metalen standaard die in de COFA staat. Plaats van de standaard, zodat de ontstekingen gemakkelijk vanuit een neutrale positie kan worden verplaatst naar een positie 2-3 cm boven het centrale gedeelte van de Pyrex glazen cilinder en terug in de neutrale stand weer.
  6. Weeg af een hoeveelheid ruwe olie gelijk aan een 5 mm dikke olievlek in de Pyrex glazen cilinder (dat wil zeggen, op basis van de dichtheid en een volume van 104 mL) in een aluminium schotel.
  7. Giet de ruwe olie op het water binnen de Pyrex glazen cilinder. Wees voorzichtig niet te morsen olie buiten de bodem van de cilinder door het gieten van de olie te snel. De aluminium schotel opnieuw wegen en registreren van het werkelijke gewicht van de ruwe olie gegoten in de cilinder van Pyrex glas.
  8. Voeg langzaam water toe aan de COFA totdat het oppervlak van de olie enkel in contact met de drie thermokoppels komt. De vonk ontstekingen verplaatsen naar de positie boven de olie.
  9. Start de datalogger en een stopwatch synchroon zodat elke seconde overeenkomt met een specifieke scan-nummer. Zet de uitlaat kap, de propeller, en de vonk ontstekingen. Inschakelen van de IR-kachels en stel het vermogen op het percentage gevonden in stap 8.2.
  10. Bij ontsteking van de olie, stoppen de stopwatch en data logger, uitschakelen van de vonk ontstekingen, verplaatsen naar haar neutrale positie en uitschakelen van de IR-kachels en de propeller. Vervolgens het vuur te blussen door zorgvuldig het plaatsen van een onbrandbare cover over de Pyrex glazen cilinder. Blussen van de brand moet u mogelijk de thermokoppels worden verplaatst weg eerste.
  11. Verzamelen en vervreemden van de ruwe olie met hydrofobe absorptie pads. Afvoer water uit de COFA totdat het water niveau laag genoeg is voor het meten van de invallende warmtestroom op het horizontale vlak weer met een warmte beweging meten. Reinig de Pyrex glazen cilinder met een vluchtige apolaire oplosmiddelen.
  12. De temperatuur van de drie thermokoppels worden uitgezet als functie van de scan nummer. Op basis van de tijd op de stopwatch, het bijbehorende nummer van de scan en de uitgezette grafiek, bepalen de oppervlaktetemperatuur bij ontsteking van de geteste ruwe olie.
  13. Voor elke extra olie die zal worden getest, herhaalt u stappen 8.2-8.12.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Figuur 5 toont de curve van de verdamping van een lichte ruwe olie die over meerdere dagen tot een verlies van 30% van de wt met behulp van de methode die is beschreven in stap 2 was verdampt. De figuur toont duidelijk aan dat na de eerste dag (19 h) van de verdampingsemissie verwering, de verdampingssnelheid is aanzienlijk verminderd, waardoor voor pauzes, zoals vermeld in het protocol.

Figuur 6 toont de ontsteking vertragingstijd als een functie van de invallende warmtestroom van de kegel kachel (stap 7, Figuur 2-3) voor verse Grane (een zware ruwe olie) en verdampt Grane met verliezen van 7 wt %. De resultaten geven een voorbeeld van de verhoogde ontsteking vertragingstijden voor verdampte ruwe olie. Daarnaast verhoogt de kritische warmtestroom, vertegenwoordigd door de verticale asymptoten, ook als een functie van de verliezen door verdamping. Over het geheel genomen is deze resultaten geven een indruk van de sterkte en de blootstelling duur die een ontstekingsbron moet hebben om te ontbranden van deze verschillende soorten van ruwe olie. Bijkomende resultaten verkregen met het protocol hierin beschreven kunnen worden gevonden in Van Gelderen, Rojas Alva, et al.. 32

Een meer typisch presentatie van de vertragingstijd ontsteking als een functie van de invallende warmtestroom is weergegeven in afbeelding 7. Ruwe olie slicks meestal gedragen als thermisch dikke materialen en de ontsteking vertragingstijd (t,ig) kan dan worden beschreven door Eq. (2)19,32.

Equation 2(2)

Hier, k is de thermische geleidbaarheid, ρ de dichtheid, c de soortelijke warmte-coëfficiënt, Tig de oppervlaktetemperatuur op ontsteking, T de omgevingstemperatuur (uitgegaan van 20 ° C), een de absorptivity, en Equation 3 de invallende warmtestroom. Herschrijven van deze vergelijking geeft de ontsteking vertragingstijd als een lineaire functie van de invallende warmtestroom (Eq. 3).

Equation 4(3)

Door het uitzetten van de vertragingstijd van de ontsteking in de vorm van 1 /Equation 5 als een functie van de invallende warmtestroom, de gegevens moeten een lineaire trendlijn weergeven, en als zodanig toestaan voor de beoordeling van de geldigheid van de gegevens. Bovendien, de hellingen van de trendlijnen voor verschillende ruwe oliën geven een indicatie van hun relatieve thermische traagheden (kρc), omdat hoe lager de helling, hoe moeilijker het is om een ruwe olie opwarmen (en dus ontsteken).

De resultaten voor verdampte Grane (Figuur 7) geven een goed voorbeeld van een gegevensverzameling die bij haar lineaire trendlijn, met de 0.991 R2 waarde past. Aan de andere kant, beginnen de resultaten voor verse Grane duidelijk af te wijken van de lineaire trend op hogere warmte stromen (30 kW/m2). Dit probleem wordt waarschijnlijk veroorzaakt door de extreem korte ontsteking vertragingstijden (< 10 s) op deze hoge hitte poeders voor dit soort vluchtige brandstof. Verse Grane, vergelijkbaar met andere verse ruwe olie, bevat een hoog gehalte aan vluchtige bestanddelen die zeer snel onder hoge incident hitte fluxen ontbranden. Een van de veronderstellingen die onderliggende Eq. (2) is dat de tijd die nodig is voor de brandbare gassen verdampen uit de brandstof om te mengen met zuurstof en bereiken de vonk ontstekingen is te verwaarlozen33. Met ontsteking vertragingstijden van minder dan 10 seconden, mengen ditmaal, die wordt geschat op volgorde van een paar seconden, worden echter een belangrijke bijdrage aan de vertragingstijd van ontsteking. Vergelijking (2) is dan niet meer geldig zijn met deze korte ontsteking vertragingstijden, en vandaar de gegevens wijkt af van de lineaire trendlijn. Bij de studie van de ontvlambaarheid van zeer vluchtige ruwe olie, moet dit probleem dus rekening worden gehouden bij het analyseren van de ontsteking vertraging tijdgegevens.

Figuur 8 toont de warmte vrijlating tarieven als een functie van de tijd voor een frisse lichte ruwe olie en een geëmulgeerd lichte ruwe olie (bereid volgens de stappen 2 en 3). De warmte vrijlating tarieven worden berekend met de O-2, CO2en CO concentratie metingen van de gas analyzer (stap 7) volgens Eq. (26) uit Janssens34. Zie het Aanvullend Document voor meer informatie over deze berekeningen. De verse ruwe olie toont een typische warmte vrijlating tarief Profiel van een langzaam dalende warmteverbruik voor vrijlating na verloop van tijd, die representatief is voor alle ruwe olie die geen water bevatten. De geëmulgeerd ruwe olie geeft een goed voorbeeld van de explosiviteit van het fenomeen van de boilover, met een warmteverbruik release die snel tot een factor vijf keer hoger dan de regelmatige brandende fase voorafgaand aan de boilover verhoogt. Boilovers zijn zeer onregelmatige verschijnselen, hoewel, en de intensiteit, duur en ontstaan hangen af van de stabiliteit en het volumepercentage van het water binnen de ruwe olie.

Figuur 9 toont de brandende efficiëntie en verbrandingssnelheid als een functie van de invallende warmtestroom voor een verse lichte ruwe olie en een zware verdampte olie met verliezen van 7 wt %. Zowel de verbrandingssnelheid en brandende efficiëntie verhogen met toenemende invallende warmtestroom voor beide typen van ruwe olie. Op laag vuur de fluxen toont de brandende efficiëntie een significant verschil tussen de verse lichte ruwe olie en de zware verdampte ruwe olie. Bij hogere warmte stromen convergeren de brandende efficiëntie voor deze oliën naar gelijkaardige waarden, dat is typisch gedrag voor alle soorten verse en verweerd ruwe olie. De verbrandingssnelheid toont deze convergerende trend voor verschillende oliën, niet omdat de brandende tijd wordt ook gewijzigd als een functie van de invallende warmtestroom, die kan verschillen voor elk type olie. Voor ruwe olie met water, de waterfractie dient in beginsel niet te worden verwerkt bij de berekening van de brandende efficiëntie en de verbrandingssnelheid omdat het een onbrandbaar materiaal. Echter het water verdampen tijdens de verbranding en het begin van de boilover verder compliceert brandende efficiëntie en brandende tarief schattingen zoals het stuwt de druppels van de olie en water uit de brandstof. Als zodanig, geëmulgeerd ruwe olie kan dus afwijkingen van de gegevens weergegeven, zoals in Figuur 9, weergeven en zorg moet worden genomen bij het analyseren van brandende efficiëntie en brandende tarief resultaten van ruwe olie met water.

Figuur 10 toont de oppervlaktetemperatuur van twee thermokoppels aan het oppervlak van brandstof als een functie van de tijd voor een verdampte lichte ruwe olie met verlies van 20% van de wt in het COFA-setup (stap 8, Figuur 4). Het resultaat toont een duidelijke piek in temperatuur na 178 s. Vlak voor dit moment is de oppervlaktetemperatuur van de ruwe olie 129 ° C als gemeten door beide thermokoppels, oftewel de oppervlaktetemperatuur op ontsteking. In combinatie met de ontsteking vertraging tijd resultaten voor deze olie (stap 7), kan Eq. (2) vervolgens worden gebruikt voor de berekening van de thermische inertie van de olie. Tabel 1 toont de thermische inertie waarden voor deze verdampt lichte ruwe olie op basis van de oppervlaktetemperatuur op ontsteking bij 129 ° C en de vertragingstijden van de ontsteking als een functie van de invallende warmtestroom. Wu, et al.. 19 gevonden dat de absorptivity kan niet worden ingesteld om de eenheid voor ruwe olie en deze term dus in de berekeningen van de thermische inertie opgenomen werd. Literatuur waarden van de thermische traagheid voor ruwe olie voor vergelijkingsdoeleinden kunnen worden gevonden in Wu, et al.. 19 en Ranellone, et al.. 20

Figure 1
Figuur 1 : Schema van de installatie COFA. De schema's bevatten een gedetailleerde weergave van de Pyrex glazen cilinder op zijn tribune (links), een bovenaanzicht van de COFA (midden) en een doorsnede aanzicht van de volledige setup (rechts). Daarnaast is een set van drie close-ups (a-c) tonen het proces van de vulling van de COFA die overeenkomt met protocol stappen 4.1 (a), 4.4 (b) en 4.5 (c). Het COFA-setup wordt gebruikt in stap 4 om de kalibratiepunten van de brandende efficiëntie en de verbrandingssnelheid van een ruwe olie voor de setup van de kegel. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2 : Volledige schematisch overzicht van de setup van de kegel (niet op schaal). De installatie bestaat uit een kegel kachel met een controle-eenheid, een op maat gemaakte kegel monsterhouder, een peristaltische pomp en waterkoeling reservoir, en een kap van de uitlaat met een gas analyzer. De schema's zijn ook voorzien van een close-up van de plaatsing van de thermokoppel in het water buizen (stap 5.1). Deze instelling wordt gebruikt in stap 7 te bestuderen van de ontvlambaarheid van ruwe olie. Merk op dat er geen direct contact tussen de olie en het koelwater in deze opstelling is als ze worden gescheiden door de metalen houder. Details van de monsterhouder kegel zijn afgebeeld in Figuur 3. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3 : Gedetailleerde transversale schematische voorstelling van de circulaire monsterhouder van de setup van de kegel. De metalen randen verhinderen dat de olie overlopen op ontsteking en zijn 30° hoek van de olieramp te minimaliseren opnieuw straling. Deze kegel monsterhouder wordt gebruikt in stap 7 te bestuderen van de ontvlambaarheid van ruwe olie. Merk op dat er geen direct contact tussen de olie en het koelwater in deze opstelling is als ze worden gescheiden door de metalen houder. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4 : Schema van de COFA instellen voor het bestuderen van de oppervlaktetemperatuur van ruwe olie op ontsteking. De schema's tonen een bovenaanzicht (links) en transversale weergave (rechts) en de setup bevat infrarood (IR) kachels, een vonk ontstekingen en een set van drie thermokoppels voor het meten van de oppervlaktetemperatuur van de olieramp (stap 8). Aanvullende details van de COFA-instellingen worden weergegeven in Figuur 1. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 5
Figuur 5 : Door verdamping verliezen van een lichte ruwe olie (DUC) als een functie van de tijd. De gegevens werden verkregen met behulp van de lucht borrelende methode beschreven in stap 2 en een verminderde verdampingssnelheid laten duidelijk zien na de eerste dag (19u).

Figure 6
Figuur 6 : Ontsteking vertraging tijd resultaten als een functie van het incident heat flux voor een frisse en verdampt (verlies van 7% van de wt) zware ruwe olie (Grane). Deze gegevens zijn verkregen met behulp van de kegel setup (Figuur 2) volgens het protocol in stap 7. De verticale asymptoten Toon de kritische warmtestroom (4 en 7 kW/m2) in een 1 kW/m2 bovenste bereik. De foutbalken geven een gegevensbereik op basis van 2-3 experimenten.

Figure 7
Figuur 7 : Ontsteking vertraging tijd resultaten als een functie van het incident heat flux voor een frisse en verdampt (verlies van 7% van de wt) zware ruwe olie (Grane). Deze gegevens zijn verkregen met behulp van de kegel setup (Figuur 2), volgens het protocol in stap 7, en verwerkt met Eq. (2). De resultaten wijzen erop dat de verdampte Grane een hogere thermische inertie dan verse Grane heeft, zoals verwacht. De grafiek toont bovendien hoe voor vluchtige ruwe oliën bij hoge incident warmte stromen, zeer korte ontsteking vertragingstijd (< 10 s) kan afwijken van de lineaire trendlijn. De foutbalken geven een gegevensbereik op basis van 2-3 experimenten.

Figure 8
Figuur 8 : Versie warmteverbruik als functie van de tijd voor een lichte verse ruwe olie en een geëmulgeerd lichte ruwe olie met verlies van 40% van de wt en met 40 vol % water verdampt. De gegevens werden verkregen uit de kegel setup (Figuur 2) door de O-2, CO2en CO concentratie metingen van de gas analyzer (stap 7) volgens Eq. (26) uit Janssens34te verwerken. De verse ruwe olie wordt een regelmatige warmte vrijlating tarief profiel voor ruwe olie zonder water inhoud. De geëmulgeerd lichte ruwe olie resulteerde in een boilover aan het einde van de brandwond en haar warmte vrijlating profiel geeft een indicatie van de intensiteit van een boilover in vergelijking met een reguliere ruwe olie brand.

Figure 9
Figuur 9 : Stem op branden van efficiëntie en branden als een functie van de invallende warmtestroom voor een verse lichte ruwe olie (DUC) en een verdampte zware ruwe olie met verlies van 7% van de wt (Grane 7%). De gegevens werden verkregen in de setup (Figuur 2) van de kegel volgens stap 7 en laten zien hoe de brandende efficiëntie van verschillende ruwe olie-soorten convergeren op hoge incident warmte stromen. Alle gegevenspunten had een maximumfout van 2,5% van de getoonde gemiddelden.

Figure 10
Figuur 10 : Oppervlakte temperatuur als functie van de tijd voor twee thermokoppels tijdens een experiment van de ontsteking in de COFA met een verdampte lichte ruwe olie met verlies van 20% van de wt. De gegevens werden verkregen in het COFA-setup (Figuur 4) volgens het protocol in stap 8. De plotselinge piek in de temperatuur na 178 s geeft aan het moment van ontsteking. De temperatuur vlak voor deze plotselinge temperatuur piek toont de oppervlaktetemperatuur op ontsteking.

T,ig (° C) Equation 3
(kW/m2)
t,ig (s) (kW * s0,5/ (m2* K))
129 4 263 0.63
5 109 0,5
10 36 0,58
15 13 0.52
20 8.4 0,56
30 5.4 0.67
40 5.2 0.88

Tabel 1: ontsteking vertragingstijden en bijbehorende thermische inertie als een functie van het incident heat flux voor een verdampte lichte ruwe olie met verlies van 20% van de wt. De thermische inertie is berekend aan de hand van Eq. (2), op basis van de ontsteking vertraging tijd verkregen gegevens in stap 7 en de oppervlaktetemperatuur op ontsteking gegevens in stap 8.

Aanvullend Document Please click here to download dit document

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

De twee verwering methoden die in dit Groenboek besproken zijn een relatief eenvoudige aanpassing van de processen van verwering dat een gemorste olie op water tot en met17wordt onderworpen. Andere, meer geavanceerde verwering methoden kunnen ook worden gebruikt om verweerde ruwe olie monsters, zoals de circulerende meetgoot beschreven door Brandvik en Faksness35. Het voordeel van de gepresenteerde methoden is dat ze eenvoudige apparatuur vereist en kunnen gemakkelijk worden uitgevoerd in een testomgeving. De resulterende verweerde ruwe oliën zijn vervolgens functioneel voor de doeleinden van de ontvlambaarheid en brandende efficiëntie studies in dit protocol, zoals aangetoond in de sectie vertegenwoordiger resultaten.

Een van de belangrijkste beperkingen in het protocol is de kalibratie van het water koeling voor de kegel setup (stap 5). Het probleem is dat er is geen referentie-informatie beschikbaar voor in situ gloeierig veld experimenten op dezelfde schaal en onder soortgelijke omstandigheden als de setup van de kegel. Er zijn bovendien geen beschikbaar warmte overdracht modellen die in de praktijk kunnen worden gebruikt om te bepalen van de warmtebalans tussen een brandende ruwe olie en de stromende water sublaag. De Waterkoeling kalibratie dus moet worden gebaseerd op experimentele gegevens uit het COFA-setup (stap 4). Zoals vermeld in het protocol, kan de kalibratie vervolgens worden uitgevoerd voor beide één oliën of voor iedere olie afzonderlijk. Zonder verwijzingsgegevens of een geschikte warmte overdracht model is het onmogelijk om te weten welke van deze methoden, indien aanwezig, een juiste weergave van de warmtebalans geeft voor in situ verbranden van ruwe olie op water.

De warmtebalans in de setup van de kegel wordt verder bemoeilijkt door de ruwe olie te onderwerpen aan een externe warmtestroom, die ook gevolgen kan hebben voor de koelcapaciteit van het water dat door de monsterhouder kegel stroomt. Tijdens het branden van een ruwe olie onder de kegel kachel, toename van het uitstromende water temperatuur na verloop van tijd de omvang daarvan hangt af van de invallende warmtestroom. Op de maximale invallende warmtestroom van 50 kW/m2, werd het water zelfs waargenomen koken, zoals stoom kwam uit de loospijp. Het is op dit moment onduidelijk in welke mate het koelwater wordt direct verwarmd door de kegel kachel (en niet de brandende olie) en aangeven of er een significant effect op de resultaten. Alleen door een uitgebreide empirische experimentele studie zou het mogelijk voor het optimaliseren van de Waterkoeling kalibratie voor alle geteste invallende warmte fluxen en voor elk type geteste olie. Ondanks deze problemen verbeterd uitvoering van het water koeling in de kegel setup ongetwijfeld het vermogen van de kegel setup te vertegenwoordigen in situ branden voorwaarden. Voorbereidende experimenten met een monsterhouder zonder Waterkoeling niet reproduceren de lage brandende efficiencyverbeteringen waargenomen in de COFA en kunnen niet worden gebruikt voor het in situ verbranden van aardolie. De besproken beperking gaat er dus niet of de huidige kegel setup vertegenwoordigt in situ branden voorwaarden van ruwe olie op water, maar in hoeverre het correct vertegenwoordigt deze voorwaarden. Voor zover wij weten, de gepresenteerde laboratorium procedure is, niettegenstaande deze beperking, momenteel de meest realistische methode voor het bestuderen van de ontvlambaarheid en de brandende efficiëntie van in situ verbranden van ruwe olie op water.

Een cruciale stap in het protocol is de meting van de oppervlaktetemperatuur op ontsteking in het COFA-setup (stap 8). Het is erg belangrijk dat als de propeller is ingeschakeld, het oppervlak van de olieramp in de cilinder van Pyrex glas als nog mogelijk is. Als het oppervlak van de olie teveel in beweging (verticaal), moeten de locatie en de stroom van de schroef (stap 4) worden aangepast om de turbulentie op het oppervlak van de olie. Zonder een nog oppervlak van de olie wordt het zeer uitdagend voor het nauwkeurig meten van de oppervlaktetemperatuur op ontsteking in stap 8. De keuze van IR-verwarming is ook cruciaal voor het welslagen van deze stap. Tijdens de ontwikkeling van dit protocol bleek dat de IR-verwarmingsautomaten hebben een zeer hoge straling uitgang moeten, terwijl ze zo compact mogelijk en hebben een koelsysteem, die niet met de temperatuurmetingen interfereert. Het is dus belangrijk te kiezen zorgvuldig een aantal IR heaters voor het COFA-setup in Figuur 4. Idealiter moeten de IR-kachels kunnen bieden dat een warmtestroom van ten minste 15 kW/m2 op afstanden veel verder weg dan 5 cm vanaf de Pyrex glazen cilinder. Hierdoor zouden met behulp van de IR-kachels, terwijl de ruwe olie wordt gebrand. De brandende efficiëntie van ruwe olie kan vervolgens worden getest als een functie van een invallende warmtestroom in een experimentele opzet dat beter vertegenwoordigt in situ branden voorwaarden.

Verdere kunnen verbeteringen aan de vertegenwoordiging van in situ gloeierig voorwaarden tijdens de ontvlambaarheid en brandende efficiëntie experimenten worden aangebracht via verschillende wijzigingen of toevoegingen aan de COFA en kegel opstellingen. Op dit moment worden de experimenten uitgevoerd onder rustig milieuomstandigheden. Het blijkt uit het in situ veldstudies, echter dat golven en wind kunnen ook invloed hebben op de ontvlambaarheid van ruwe olie5,21,36,,37branden. Om te simuleren dergelijke voorwaarden, kan de COFA bijvoorbeeld worden voorzien van een wave maker en fans die een wind over het wateroppervlak maken. Koudere klimaten kunnen worden gesimuleerd met behulp van een koudere koelmiddel in het configuratiemenu van de kegel, vergelijkbaar met Ranellone, et al.. 20, of door het ijs aan de watermassa in de COFA toe te voegen. Ten slotte, de eerste dikte van de ruwe olie slicks kan gevarieerd worden in de experimenten, want dit is ook een parameter bekend de ontvlambaarheid en brandende efficiëntie van ruwe olie5,22te beïnvloeden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

De auteurs bedank de Deense Raad voor onafhankelijk onderzoek voor de financiering van het project (Grant DDF - 1335-00282). COWIfonden gefinancierd de bouw van de apparatuur van de ontvlambaarheid ruwe olie en het gas analyzer, met inbegrip van de koker invoegen. Maersk Oil en Statoil verstrekt de ruwe oliën die werden gebruikt voor de representatieve resultaten. Geen van de sponsors hebben betrokken geweest in het protocol of de resultaten van dit papier. De auteurs ook bedank Ulises Rojas Alva voor hulp bij de opbouw van de monsterhouder gemodificeerde kegel.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
DUC Crude Oil Maersk N/A Light crude oil with r = 0.853 g/ml and h = 6.750 mPa*s.
Grane Crude Oil Statoil N/A Heavy crude oil with r = 0.925 g/ml and h = 133.6 mPa*s.
SVM 3000 Stabinger Viscometer Anton Paar C18IP007EN-P Viscosity and density meter for the fresh and weathered crude oils.
Laboshake RO500 Gerhardt 11-0002 Rotary shaking table for emulsifying water and oil mixtures.
Jebao Wave Maker RW-4 Jebao N/A Propeller (flow of 500-4000 L/h) used in the COFA setup to generate a current.
Aquabee UP 3000 Aquabee UP 3000 Aquarium pump for cooling of heat flux gauge.
Adventurer Precision Electronic Balance OHAUS AX5205 Load scale used to weigh the oil for the COFA experiments and in the custom-made cone sample holder for the cone setup.
3M Oil Sorbent Pads VWR MMMAHP156 Hydrophobic absorption pads used to collect oil residues to determine the burning efficiency of the fire.
Mass Loss Calorimeter Fire Testing Technology (FTT) B11325-650-1-1608 A custom-made, circular holder was used for the testing of crude oil rather than the standard square sample holder. Includes a heat flux gauge with a range up to 100 kW/m2.
34972A Data Acquisition / Data Logger Switch Unit RS Components Ltd. 702-7958 Produced by Keysight Technologies. Operated by Keysight benchLink data logger 3 software and equipped with a 20-channel multiplexer.
Keysight Technologies 34901A 20-channel multiplexer RS Components Ltd. 702-7939 Produced by Keysight Technologies.
Bellows-Sealed Valve Swagelok SS-1GS6MM Toggle valve to open/close the water in- and outlet of the custom-made cone sample holder for the cone setup.
Kronos 50 Peristaltic Pump SEKO KRFM0210M6000 Peristaltic pump used to cool the custom-made cone sample holder for the cone setup.
ARCTIC A28 Refrigerated Circulater ThermoFisher Scientific 152-5281 Water cooling reservoir used to cool the cooling water that flows through the custom-made cone sample holder for the cone setup. Includes a SC 100 Immersion Circulator controller.
Gas Analysis Instrumentation Console with Duct Insert Fire Testing Technology (FTT) B11328-650-1-1609 Gas analyzer for O2, CO2 and CO. Uses a 34972A Data Acquisition / Data Logger Switch Unit.
Ceramic & Stainless Steel 2.5mm Electrode Fire Testing Technology (FTT) M015-4 Spark igniter from the Mass Loss Calorimeter. Used in the COFA setup to measure the surface temperature upon ignition.
Infrared Emitter-Module M110/348 Heraeus 80046199 Original Infrared heaters on which the new design with a water-cooled holder for the heating elements was based. Includes two short wave twin tube emitters (09751751). Operated by a type CB1x25 P power controller.
Power Controller Heratron  Heraeus 80055836 Type CB1x25 P power controller for the infrared heaters.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Allen, A. A. Contained Controlled Burning of Spilled Oil During the Exxon Valdez Oil Spill. Proceedings of the Thirteenth Arctic and Marine Oilspill Program (AMOP) Technical Seminar. 305-313 Environment Canada, 305-313 (1990).
  2. Allen, A. A., Jaeger, D., Mabile, N. J., Costanzo, D. The Use of Controlled Burning During the Gulf of Mexico Deepwater Horizon MC-252 Oil Spill Response. International Oil Spill Conference Proceedings. 2011, (1), 1-13 (2011).
  3. AMAP. Assessment 2007: Oil and Gas Activities in the Arctic - Effects and Potential Effects. 1, AMAP. , Oslo, Norway. 423 (2010).
  4. Nuka, Research Planning Group, LLC. Oil Spill Prevention and Response in the U.S. Arctic Ocean: Unexamined Risks, Unacceptable Consequences. The PEW Environment Group. Washington, D.C. 136 (2010).
  5. Buist, I. A., et al. In Situ Burning in Ice-Affected Waters: State of Knowledge Report Final Report 7.1.1. Arctic Response Technology. 293 (2013).
  6. EPPR. Guide to Oil Spill Response in Snow and ce Conditions in the Arctic. Emergency Prevention Preparedness and Response (EPPR). 184 (2015).
  7. Opstad, K., Guénette, C. Fire on the Sea Surface, Ignitability and Sustainability Under Various Environmental Conditions. Fire Safety Science. 6, 741-752 (2000).
  8. Fritt-Rasmussen, J., Brandvik, P. J., Villumsen, A., Stenby, E. H. Comparing Ignitability for In Situ Burning of Oil Spills for an Asphaltenic, a Waxy and a Light Crude Oil as a Function of Weathering Conditions Under Arctic Conditions. Cold Reg. Sci. Technol. 72, 1-6 (2012).
  9. Guénette, C. C., Thornborough, J. An Assessment Of Two Off-Shore Igniter Concepts. Proceedings of the Twentieth Arctic and Marine Oil Spill Program (AMOP) Technical Seminar . Environment Canada 795-808 (1997).
  10. Brandvik, P. J., Fritt-Rasmussen, J., Daniloff, R., Leirvik, F., Resby, J. L. Establishing, testing and verification of a laboratory burning cell to measure ignitability for in situ burning of oil spills. Report No. 20, 26. 20, SINTEF Materials and Chemistry. Trondheim. (2010).
  11. Van Gelderen, L., Malmquist, L. M. V., Jomaas, G. Vaporization order and burning efficiency of crude oils during in situ burning on water. Fuel. 191, 528-537 (2017).
  12. Farmahini Farahani, H., Shi, X., Simeoni, A., Rangwala, A. S. A Study on Burning of Crude Oil in Ice Cavities. Proc. Combust. Inst. 35, (3), 2699-2706 (2015).
  13. Bullock, R. J., Aggarwal, S., Perkins, R. A., Schnabel, W. Scale-up considerations for surface collecting agent assisted in situ burn crude oil spill response experiments in the Arctic: Laboratory to field-scale investigations. J. Environ. Manage. 190, 266-273 (2017).
  14. Fingas, M. F., et al. The Newfoundland Offshore Burn Experiment - NOBE. In Situ Burning Oil Spill Workshop Proceedings, NIST. 63-70 (1994).
  15. Guénette, C. C., Wighus, R. In situ Burning of Crude Oil and Emulsions in Broken Ice. Proceedings of the Nineteenth Arctic and Marine Oilspill Program (AMOP) Technical Seminar, Environment Canada. 895-906 (1996).
  16. Potter, S. Tests of Fire-Resistant Booms in Low Concentrations of Drift Ice - Field experiments May 2009. Report No. 27. 27, SINTEF. Trondheim. 17 (2010).
  17. AMAP. Assessment 2007: Oil and Gas Activities in the Arctic - Effects and Potential Effects. 2, AMAP. Oslo, Norway. 277 (2010).
  18. Buist, I. Window-of-Opportunity for In Situ Burning. Spill Sci. Technol. Bull. 8, (4), 341-346 (2003).
  19. Wu, N., Kolb, G., Torero, J. L. The Effect of Weathering on the Flammability of a Slick of Crude Oil on a Water Bed. Combust. Sci. Technol. 161, (1), 269-308 (2000).
  20. Ranellone, R. T., Tukaew, P., Shi, X., Rangwala, A. S. Ignitability of crude oil and its oil-in-water products at arctic temperature. Mar. Pollut. Bull. 115, (1), 261-265 (2017).
  21. Bech, C. M., Sveum, P., Buist, I. A. The Effect of Wind, Ice and Waves on the In situ Burning of Emulsions and Aged Oils. Proceedings of the Sixteenth Arctic and Marine Oilspill Program (AMOP) Technical Seminar, Environment Canada. 735-748 (1993).
  22. Van Gelderen, L., et al. Importance of the Slick Thickness for Effective In situ Burning of Crude Oil. Fire Saf. J. 78, 1-9 (2015).
  23. ISO 17554:2014(E) Reaction to fire tests – Mass loss measurement. International Organization for Standardization. Geneva. 28 (2014).
  24. ISO/TR 9705-2:2001(E) Reaction-to-fire tests – Full-scale room tests for surface products – Part 2: Technical background and guidance . International Organization for Standardization. Geneva. 39 (2001).
  25. Stiver, W., Mackay, D. Evaporation rate of spills of hydrocarbons and petroleum mixtures. Environ. Sci. Technol. 18, (11), 834-840 (1984).
  26. Buist, I., Potter, S., Zabilansky, L., Guarino, A., Mullin, J. Oil Spill Response: A Global Perspective. Davidson, W. F., Lee, K., Cogswell, A. Springer. Netherlands. 41-62 (2008).
  27. Daling, P. S., Moldestad, M. Ø, Johansen, Ø, Lewis, A., Rødal, J. Norwegian Testing of Emulsion Properties at Sea--The Importance of Oil Type and Release Conditions. Spill Sci. Technol. Bull. 8, (2), 123-136 (2003).
  28. Arai, M., Saito, K., Altenkirch, R. A. A Study of Boilover in Liquid Pool Fires Supported on Water Part I: Effects of a Water Sublayer on Pool Fires. Combust. Sci. Technol. 71, (1-3), 25-40 (1990).
  29. Garo, J. P., Vantelon, J. P., Fernandez-Pello, A. C. Boilover Burning of Oil Spilled on Water. Symp. (Int.) Combust. 25, (1), 1481-1488 (1994).
  30. Evans, D. D., Mulholland, G. W., Gross, H., Baum, H., Saito, K. Burning, smoke production, and smoke dispersion from oil spill combustion. Proceedings of the Eleventh Arctic and Marine Oilspill Program (AMOP) Technical Seminar, Environment Canada. 41-87 (1988).
  31. Guénette, C. C., Sveum, P., Buist, I., Aunaas, T., Godal, L. In situ burning of water-in-oil emulsions. Marine Spill Response Corporation. Washington D.C. 139 (1994).
  32. Van Gelderen, L., Rojas Alva, U., Mindykowski, P., Jomaas, G. Thermal Properties and Burning Efficiencies of Crude Oils and Refined Fuel Oil. International Oil Spill Conference Proceedings. 2017, (1), 985-1005 (2017).
  33. Quintiere, J. G. Ch 7. Fundamentals of Fire Phenomena. John Wiley & Sons, Ltd. 159-190 (2006).
  34. Janssens, M. L. Measuring rate of heat release by oxygen consumption. Fire Technol. 27, (3), 234-249 (1991).
  35. Brandvik, P. J., Faksness, L. G. Weathering processes in Arctic oil spills: Meso-scale experiments with different ice conditions. Cold Reg. Sci. Technol. 55, (1), 160-166 (2009).
  36. Wighus, R., Guènette, C. Fire on the sea surface - Experiments hazard assessment 1995. Report No. NBL A07129. SINTEF. Trondheim. 40 (2007).
  37. Guénette, C. C., Sveum, P., Bech, C. M., Buist, I. A. Studies of In Situ Burning of Emulsions in Norway. International Oil Spill Conference Proceedings. (1), 115-122 (1995).
Experimentele Procedure voor laboratoriumonderzoek van <em>In Situ</em> branden: ontvlambaarheid en branden efficiëntie van ruwe olie
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

van Gelderen, L., Jomaas, G. Experimental Procedure for Laboratory Studies of In Situ Burning : Flammability and Burning Efficiency of Crude Oil. J. Vis. Exp. (135), e57307, doi:10.3791/57307 (2018).More

van Gelderen, L., Jomaas, G. Experimental Procedure for Laboratory Studies of In Situ Burning : Flammability and Burning Efficiency of Crude Oil. J. Vis. Exp. (135), e57307, doi:10.3791/57307 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter