Procedimento Experimental para Estudos Laboratoriais de Queima In Situ: Inflamabilidade e Eficiência de Queima do Petróleo Bruto

Summary

Aqui, apresentamos um protocolo para estudar simultaneamente a inflamabilidade e a eficiência ardente de fresco e resistida petróleo sob condições que simulam em situ queima as operações no mar.

Abstract

É apresentado um novo método para o estudo simultâneo da inflamabilidade e eficiência ardente de fresco e resistida de petróleo através de duas configurações de laboratório experimental. Os experimentos são facilmente reproduzíveis em comparação com experiências em escala operacional (piscina diâmetro ≥2 m), enquanto que ainda com bastante realista em situ queima as condições de óleo cru na água. Condições experimentais incluem uma camada sub fluxo de água que resfria a mancha de óleo e um fluxo de calor externo (até 50 kW/m²) que simula o maior feedback de calor para a superfície do combustível em escala operacional petróleo piscina incêndios. Estas condições permitem um estudo laboratorial controlada da eficiência queima de fogos de piscina de petróleo bruto que são equivalentes às experiências em escala operacional. O método também fornece dados quantitativos sobre os requisitos para a inflamação óleos brutos de petróleo em termos do fluxo de calor crítico, tempo de atraso de ignição em função da inércia térmica, a temperatura da superfície em cima da ignição e o fluxo de calor incidente. Este tipo de dados pode ser usado para determinar a força necessária e a duração de uma fonte de ignição para inflamar um certo tipo de crude fresco ou resistida. A principal limitação do método é que o efeito de resfriamento da água fluindo sub camada sobre o queima de petróleo como uma função do fluxo de calor externo não foi totalmente quantificada. Resultados experimentais mostraram claramente que a camada de sub água fluindo melhorar como representante desta instalação é em situ ardente condições, mas até que ponto esta representação exata é atualmente incerta. O método apresenta, no entanto, o mais realista em situ queimando condições laboratoriais atualmente disponíveis para estudar simultaneamente a inflamabilidade e queima a eficiência do óleo cru na água.

Introduction

Em situ queima de petróleo derramado na água é um método de resposta de derramamento de óleo marinho que remove o óleo derramado da superfície da água por queimá-lo e convertê-lo para fuligem e produtos gasosos de combustão. Este método de resposta foi aplicado com êxito durante o Exxon Valdez¹ e derrames de petróleo em águas profundas Horizon² e regularmente é mencionado como um método de resposta de derramamento de óleo potenciais para o Ártico^{3,4,5 ,6}. Dois dos principais parâmetros que determinam se em situ queima de óleo será bem sucedido como um método de resposta de derramamento são a inflamabilidade e a eficiência de combustão do óleo. O primeiro parâmetro, inflamabilidade, descreve como um combustível pode ser inflamado e facilmente pode levar à propagação de chama sobre a superfície de combustível para resultar em um incêndio totalmente desenvolvido. O segundo parâmetro, queimando a eficiência, expressa a quantidade de óleo (em % em peso) que efetivamente é removido da superfície da água, pelo fogo. Assim, é relevante para compreender a inflamabilidade e a eficiência esperada queima de diferentes óleos brutos de petróleo sob em situ condições de queima.

Ignição de óleo slicks na água para em situ queimando fins é comumente tratado como um problema prático, com discussões qualitativas na ignição sistemas^5,7,8,9. A abordagem prática para a ignição do derramamento de óleo como um problema binário, e rotulagem de óleos ou “inflamáveis” ou “não-inflamável” (por exemplo, Brandvik, Fritt-Rasmussen, et al. ¹⁰) é, no entanto, incorreta do ponto de vista fundamental. Em teoria, qualquer combustível pode ser inflamado dada uma fonte de ignição adequada. É, portanto, relevante para quantificar as exigências de ignição para uma ampla gama de tipos diferentes de óleo cru para compreender melhor as propriedades de um óleo bruto que rotulá-la como “não inflamáveis”. Para este efeito, o método desenvolvido pode ser usado para estudar o tempo de atraso de ignição de um óleo em função do fluxo térmico incidente, o fluxo de calor crítico do óleo e sua inércia térmica, ou seja, quão difícil é para aquecer o óleo.

Em um estudo anterior, postula-se que o parâmetro principal que rege a eficiência de combustão é o feedback de calor para a superfície de combustível¹¹, que é uma função do diâmetro da piscina. A teoria explica a dependência do tamanho de piscina aparente da eficiência ardente com base em estudos de laboratório relatando baixa queima eficiências (32-80%)^8,12,13 e estudos de grande escala (diâmetro da piscina ≥2 m) Apresentando alta queima eficiências (90-99%)^14,15,16. O método discutido neste documento foi concebido para testar a teoria proposta. Sujeitando os experimentos de laboratório de pequena escala para um fluxo constante de calor externo, o maior feedback de calor para incêndios de piscina em grande escala pode ser simulado em condições controladas de laboratório. Como tal, o método desenvolvido permite estudar a eficiência ardente eficazmente em função do diâmetro variando o fluxo de calor externo.

Além de um fluxo de calor externo para simular a escala maior de in situ queimando as operações, o recurso de configurações experimentais da mancha de óleo de resfriamento por um fluxo de água fria, simulando o efeito de resfriamento do mar atual. O método discutido além disso é compatível com óleos em bruto frescos e resistidos. O intemperismo do óleo cru descreve o processo físico e químico que afetam uma petróleo bruto, uma vez que é derramado sobre a água, tais como perdas de seus componentes voláteis e mistura com água para emulsões de água em óleo de forma (por exemplo, AMAP¹⁷). Evaporação e emulsificação são dois dos processos de intemperismo principais que afetam a inflamabilidade dos óleos brutos¹⁸ e protocolos para simular estes processos de intemperismo, portanto, estão incluídos o método discutido.

Neste documento, apresentamos um método de laboratório romance que determina a inflamabilidade e a eficiência de queima de petróleo em condições que simulam em situ queima as operações no mar. Estudos anteriores sobre a inflamabilidade e a eficiência de queima de óleos brutos de petróleo destaque comparáveis e diferentes métodos. A inflamabilidade de óleos em bruto frescos e resistidas em função de um fluxo de calor externo foi estudada em água¹⁹ e sob temperaturas árticas²⁰. Estudos de eficiência ardente normalmente enfocam diferentes tipos de fresco e resistiu a óleos brutos e condições ambientais à escala fixa (por exemplo, Fritt-Rasmussen, et al. ⁸Bech, Sveum, et al. ²¹). um estudo recente sobre a queima de óleos brutos de petróleo contidos por pastores de químicos, para o conhecimento dos autores, é o primeiro a estudar a eficiência de queima para pequeno, intermediário, e em grande escala dos experimentos debaixo de condições similares¹³. Experiências em grande escala são, no entanto, não está prontamente disponível para estudos paramétricos devido à extensa quantidade de tempo e recursos necessários para a realização de tais experiências. A principal vantagem do método apresentado sobre os estudos mencionados anteriormente é que ela permite simultaneamente estudando ambos a inflamabilidade e queimando a eficiência de petróleo em condições semirealistas. A combinação de estudar esses dois parâmetros para óleos brutos de petróleo como uma função de ambos tipos diferentes do óleo e o diâmetro da piscina (simulado) através de experiências facilmente repetíveis foi anteriormente inviável na prática.

Protocol

Este protocolo faz uso de dois diferentes configurações experimentais que são usadas nas etapas 4-8, como mostra o esquema de acompanhamento. A primeira configuração é o petróleo bruto inflamabilidade aparelhos (COFA) (Figura 1 e Figura 4), que é um 1.0 × 1.0 × 0,50 m3 bacia de água de metal projetada para conduzir a pequena escala em situ queima de experimentos de petróleo bruto, como mostrado por exemplo em Van Gelderen,…

Representative Results

A Figura 5 mostra a curva de evaporação de um petróleo bruto leve que foi evaporado ao longo de vários dias para uma perda de 30% em peso usando o método descrito na etapa 2. A figura mostra claramente que após o primeiro dia (19 h) de intemperismo por evaporação, a taxa de evaporação é significativamente reduzida, o que permite pausas como mencionado no protocolo. A …

Discussion

Os dois métodos de intemperismo discutidos neste artigo são uma aproximação relativamente simples os processos de intemperismo que um óleo derramado sobre a água é submetido a¹⁷. Outros, mais métodos sofisticados de intemperismo também podem ser usados para fornecer amostras resistidas petróleo bruto, como o canal da circulação, descrito por Brandvik e Faksness³⁵. A vantagem dos métodos apresentados é que eles exigem equipamento simples e podem ser facilmente …

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.