Experimentelle Verfahren für Untersuchungen im Labor des Brennens In Situ : Entflammbarkeit und brennen Effizienz von Rohöl

Summary

Hier präsentieren wir ein Protokoll, um gleichzeitig zu studieren, die Entflammbarkeit und brennende Effizienz von frische und verwitterte Rohöl unter Bedingungen, die in Situ brennenden Vorgänge auf dem Meer zu simulieren.

Abstract

Eine neue Methode für die gleichzeitige Untersuchung von der Brennbarkeit und brennende Effizienz von frische und verwitterte Rohöl durch zwei Versuchslabor Setups wird vorgestellt. Die Experimente sind im Vergleich zu operativen Skala Experimenten (Pool Durchmesser ≥2 m), während noch durchaus realistisch in Situ brennenden Bedingungen für Rohöl auf dem Wasser mit leicht wiederholbar. Experimentelle Bedingungen umfassen eine fließende Sub-Wasserschicht, die kühlt die Ölpest und einem externen Wärmestrom (bis zu 50 kW/m²), die das höhere Hitze Feedback an die Kraftstoff-Oberfläche in operativen Skala Rohöl Pool Brände simuliert. Diese Bedingungen ermöglichen eine kontrollierte Laborstudie der brennenden Effizienz von Rohöl Pool Brände, die operative Ebene Experimente entsprechen. Die Methode bietet auch quantitative Daten über die Anforderungen an zündenden Rohöle in Bezug auf die kritischen Wärmestromdichte, Zündung Verzögerungszeit in Abhängigkeit von der einfallenden Wärmestrom, die Oberflächentemperatur auf Zündung und die thermische Trägheit. Dieser Datentyp kann verwendet werden, um festzustellen, die erforderliche Festigkeit und Dauer der Zündquelle auf eine bestimmte Art von frischen oder verwitterten Rohöl zu entzünden. Die wichtigste Einschränkung der Methode ist, dass die kühlende Wirkung des fließenden Wassers Schicht auf das brennende Rohöl Sub als eine Funktion des externen Wärmestroms voll nicht quantifiziert worden. Experimentelle Ergebnisse zeigten deutlich, dass die fließenden-Sub-Wasserschicht verbessert, wie repräsentativ diese Einrichtung von in Situ Brennbedingungen ist aber, inwieweit diese Darstellung stimmt derzeit ungewiss ist. Die Methode zeichnet sich dennoch die realistischste in Situ brennen Laborbedingungen derzeit gleichzeitig studieren die Entflammbarkeit und brennende Leistungsfähigkeit von Rohöl auf dem Wasser.

Introduction

In Situ Verbrennung verschüttetes Öl auf dem Wasser ist ein marine Öl Spill Response-Verfahren, die das Ausgelaufene Öl von der Wasseroberfläche entfernt, brennen und konvertieren es in Ruß und gasförmigen Verbrennungsprodukte. Diese Antwort-Methode bei der Exxon Valdez¹ und Deepwater Horizon² Ölverschmutzungen erfolgreich angewendet wurde und wird regelmäßig als eine mögliche Öl Spill Response-Verfahren für die arktischen^{3,4,5 erwähnt ,6}. Zwei der wichtigsten Parameter, die bestimmen, ob in Situ Verbrennung von Öl als ein Spill Response-Verfahren erfolgreich sein werden sind die Entflammbarkeit und die brennende Effizienz des Öls. Der erste Parameter, Entflammbarkeit, beschreibt, wie leicht ein Kraftstoff entzündet werden kann und zu verbreiten über die Kraftstoff-Oberfläche zu einem voll entwickelten Brand führen Flamme führen kann. Der zweite Parameter, brennende Leistungsfähigkeit, drückt die Menge des Öls (in Gew.-%), die durch das Feuer effektiv von der Wasseroberfläche entfernt ist. Es ist also für die Entflammbarkeit und die erwarteten brennende Effizienz der verschiedenen Rohöle unter in Situ brennenden Bedingungen zu verstehen.

Die Zündung des Öls slicks auf dem Wasser für in Situ brennenden Zwecke allgemein als ein praktisches Problem mit qualitativen Diskussionen über Zündung Systeme^5,7,8,9gerichtet ist. Die praktische Ansatz für die Zündung des verschüttete Öl als binäre Problem und Kennzeichnung “zündfähige” oder “nicht zündfähig” Öle (z. B. Brandvik, Fritt-Rasmussen Et Al. ¹⁰) stimmt, jedoch aus Sicht der Grundrechte. In der Theorie kann jeder Kraftstoff angesichts eine geeigneten Zündquelle gezündet werden. Es ist daher zu quantifizieren die Zündung-Anforderungen für eine breite Palette von verschiedenen Rohöl Arten um die Eigenschaften einer Rohöl besser zu verstehen, die es als “nicht zündfähig” bezeichnen würde. Die entwickelte Methode ist zu diesem Zweck lässt sich studieren die Zündung Verzögerungszeit eines Öls in Abhängigkeit von der einfallenden Wärmestrom, der kritischen Wärmestromdichte des Öls und die thermische Trägheit, d.h. wie schwierig es ist, um das Öl zu heizen.

In einer früheren Studie postuliert wir, dass der wichtigste Parameter, der die brennende Effizienz regelt das Wärme-Feedback der Kraftstoff Oberfläche¹¹, ist eine Funktion des Durchmessers Pool. Die Theorie erklärt die scheinbare Pool Größe Abhängigkeit der brennenden Effizienz basierend auf Untersuchungen im Labor Berichterstattung niedrig brennende Effizienz (32-80 %)^8,12,13 und groß angelegte Studien (Pool Durchmesser ≥2 m) die Berichterstattung hohe brennende Effizienz (90-99 %)^14,15,16. Die hierin beschriebene Methode wurde entwickelt, um die vorgeschlagene Theorie zu testen. Durch kleine Experimente im Labor zu einem ständigen externen Wärmestrom zu unterwerfen, kann die höhere Wärme-Feedback für groß angelegte Pool Brände unter kontrollierten Laborbedingungen simuliert werden. Als solche kann die entwickelte Methode studieren die brennende Effizienz effektiv als eine Funktion des Durchmessers durch Variation des externen Wärmestroms.

Neben einer externen Wärmestrom, die größeren Skala der in Situ zu simulieren brennen Operationen, die Versuchsaufbauten Funktion Kühlung der Ölpest durch einen Kaltwasser, simulieren die kühlende Wirkung von der Meeresströmung. Die diskutierte Methode ist zudem kompatibel mit frischen und verwitterte Rohöle. Die Verwitterung von Rohöl beschreibt die physikalischen und chemischen Prozess, der ein Rohöl zu beeinflussen, sobald es auf dem Wasser, wie Verluste ihrer flüchtigen Bestandteile und mischen mit Wasser zu Form-Wasser-in-Öl-Emulsionen (z. B. AMAP¹⁷) verschüttet wird. Verdunstung und Emulgierung sind zwei der wichtigsten Verwitterungsprozesse, die die Entflammbarkeit von Rohölen¹⁸ beeinflussen und Protokolle für die Simulation von diese Verwitterungsprozesse sind daher in der besprochenen Methode enthalten.

Hier präsentieren wir Ihnen eine neuartige Labormethode, die bestimmt die Entflammbarkeit und brennende Effizienz der Rohölpreis unter Bedingungen, die in Situ brennenden Operationen auf See zu simulieren. Frühere Studien über die Entflammbarkeit und brennende Effizienz der Rohöle vorgestellten vergleichbar und andere Methoden. Die Entflammbarkeit von frische und verwitterte Rohöle in Abhängigkeit von einem externen Wärmestrom wurde am Wasser¹⁹ und unter arktischen Temperaturen²⁰untersucht. Brennende Effizienz-Studien in der Regel konzentrieren sich auf verschiedene Arten von frischen und verwitterte rohe Öle und Umweltbedingungen in einem festen Maßstab (z. B. Fritt-Rasmussen, Et Al. ⁸Bech, Sveum, Et Al. ²¹). eine aktuelle Studie über die Verbrennung von Rohöle enthalten chemische Hirten ist, um das Wissen der Autoren, der erste brennende Effizienz für kleine, mittlere und groß angelegte Experimente unter ähnlichen Bedingungen¹³. Groß angelegte Experimente sind jedoch nicht ohne weiteres verfügbar für parametrische Studien aufgrund der umfangreichen Anzahl der Zeit- und Ressourcenaufwand für die Durchführung solcher Experimente. Der Hauptvorteil der vorgestellten Methode gegenüber den zuvor genannten Studien ist, dass es ermöglicht gleichzeitig studieren beide die Entflammbarkeit und brennende Leistungsfähigkeit von Rohöl unter semi-realistischen Bedingungen. Die Kombination dieser beiden Parameter für Rohöle in Abhängigkeit von verschiedenen Ölsorten und der (simulierten) Pool Durchmesser durch leicht wiederholbare Experimente zu studieren war zuvor in der Praxis undurchführbar.

Protocol

Dieses Protokoll nutzt zwei verschiedene Versuchsaufbauten, die Schritte 4 bis 8 verwendet werden wie in der beiliegenden Schaltplänen dargestellt. Die Ersteinrichtung ist das Crude Oil Entflammbarkeit Apparat (COFA) (Abbildung 1 und Abbildung 4), die ein 1.0 × 1,0 × 0,50 m3 Metall Wasserbecken soll führen kleine in Situ Verbrennung von Erdöl Experimente, wie zum Beispiel gezeigt in Van Gelderen, Brogaard, Et Al. <sup cl…

Representative Results

Abbildung 5 zeigt die Verdunstung Kurve ein leichtes Rohöl, das über mehrere Tage zu einem Verlust von 30 Gew.-% mit der in Schritt 2 beschriebenen Methode verdampft war. Die Abbildung zeigt deutlich, dass nach dem ersten Tag (19 Uhr) der Verdunstungskühlung Verwitterung, die Verdunstungsrate erheblich wodurch für Pausen reduziert wird, wie im Protokoll erwähnt. Abbildung 6…

Discussion

Die beiden Verwitterung Methoden diskutiert in diesem Papier sind eine relativ einfache Annäherung an die Verwitterungsprozesse, dass¹⁷ein verschüttetes Öl auf dem Wasser ausgesetzt ist. Andere, anspruchsvolle Verwitterung Methoden können auch verwendet werden, verwitterte Rohöl Beispiele, wie die zirkulierenden Klamm durch Brandvik und Faksness³⁵beschrieben. Der Vorteil der vorgestellten Methoden ist, dass sie einfachen Ausrüstung erfordern und leicht in einer Laboru…

Materials

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.