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Engineering

Une procédure expérimentale pour Laboratory Studies of In Situ brûlant : inflammabilité et l’efficacité de combustion de pétrole brut

Published: May 1, 2018 doi: 10.3791/57307

Summary

Nous présentons ici un protocole afin d’étudier simultanément l’inflammabilité et l’efficacité brûlante de pétrole frais et altéré dans des conditions qui simulent en situ brûlant des opérations sur la mer.

Abstract

Est présente une nouvelle méthode pour l’étude simultanée de l’inflammabilité et l’efficacité brûlante du pétrole frais et altéré par le biais de deux configurations de laboratoire expérimental. Les expériences sont facilement reproductibles par rapport aux expériences opérationnelles (piscine diamètre ≥ 2 m), tandis que toujours mettant en vedette tout à fait réaliste en situ brûlant des conditions du pétrole brut sur l’eau. Conditions expérimentales comprennent un écoulement eau sous-poil qui refroidit la marée noire et un flux de chaleur externe (jusqu'à 50 kW/m2) qui simule la rétroaction de chaleur plus élevée à la surface de combustible dans les feux de piscine pour le pétrole brut échelle opérationnelle. Ces conditions permettent une étude de laboratoire de l’efficacité de combustion de pétrole brut des feux de piscine qui sont équivalents aux expériences opérationnelles. La méthode fournit également des données quantitatives concernant les prescriptions pour l’allumage des pétroles bruts en ce qui concerne le flux de chaleur critique, temps de retard d’allumage en fonction de l’inertie thermique du flux thermique incident et la température de surface après son allumage. Ce type de données peut servir à déterminer la force nécessaire et la durée d’une source d’allumage pour allumer un certain type de pétrole brut frais ou altéré. La principale limite de la méthode est que l’effet de refroidissement de l’eau coulant sous couche la combustion du pétrole comme une fonction du flux de chaleur externe n’a pas été entièrement quantifiée. Les résultats expérimentaux ont montré clairement que le sous-poil qui coule de l’eau améliore-t-il la représentativité de cette configuration est des conditions de combustion sur place , mais dans quelle mesure cette représentation exacte est actuellement incertain. La méthode dispose néanmoins le plus réaliste en situ brûlant des conditions de laboratoire actuellement disponibles pour étudier simultanément l’inflammabilité et la gravure de l’efficacité du pétrole brut sur l’eau.

Introduction

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In situ le brûlage du pétrole brut déversé sur l’eau est une méthode de réponse de déversement d’hydrocarbures en milieu marin qui supprime les hydrocarbures déversés sur la surface de l’eau de brûler et de le convertir à la suie et les gaz de combustion. Cette méthode a été appliquée avec succès au cours de l’Exxon Valdez1 et les déversements de pétrole Deepwater Horizon2 et est régulièrement mentionnée comme une méthode de réponse déversement de pétrole potentielle pour l’Arctique3,4,5 ,6. Deux des principaux paramètres qui déterminent si in situ brûler de l’huile sera réussie comme une méthode de réponse de déversement sont l’inflammabilité et l’efficacité de combustion de l’huile. Le premier paramètre, inflammabilité, décrit la facilité avec laquelle un combustible peut être enflammé et peut conduire à la flamme étalée sur la surface de carburant à provoquer un incendie entièrement développé. Le deuxième paramètre, brûlant d’efficacité, exprime la quantité d’huile (en % du poids) qui est effectivement sorti de la surface de l’eau par le feu. Il convient donc de comprendre l’inflammabilité et l’efficacité de combustion attendue des différents pétroles bruts sous in situ des conditions de combustion.

L’allumage du pétrole slicks sur l’eau in situ burning fins est couramment adressées comme un problème pratique, avec discussion qualitative sur les systèmes d’allumage5,7,8,9. L’approche pratique à l’allumage de déversé huile comme un problème binaire, et étiquetage d’huiles « inflammable » ou « non inflammables » (p. ex. Brandvik, Fritt-Rasmussen, et al. 10) est cependant incorrect d’un point de vue fondamental. En théorie, n’importe quel carburant peut s’enflammer en fonction d’une source d’allumage approprié. Il convient donc de quantifier les exigences d’allumage pour un large éventail de types différents de pétrole brut afin de mieux comprendre les propriétés d’un pétrole brut qui serait étiquetez-le comme « non inflammables ». À cet effet, la méthode peut servir à étudier le temps de retard d’allumage d’une huile en fonction du flux thermique incident, le flux de chaleur critique de l’huile et son inertie thermique, c'est-à-dire Comment difficile c’est de chauffer de l’huile.

Dans une étude précédente, nous avons postulé que le paramètre principal qui régit l’efficacité de combustion est la rétroaction de la chaleur à la surface de carburant11, qui est une fonction du diamètre de la piscine. La théorie explique l’effet de la taille de la piscine apparente de l’efficacité de combustion basée sur des études de laboratoire rapports faible brûlure efficacités (32-80 %)8,12,13 et études à grande échelle (piscine diamètre ≥ 2 m) déclaration forte brûlure efficacité (90 à 99 %)14,15,16. La méthode décrite ci-après a été conçue pour tester la théorie proposée. En soumettant des expériences en laboratoire à petite échelle un flux constant de chaleur externes, de la rétroaction de chaleur plus élevée pour les feux de piscine à grande échelle peut être simulée dans des conditions contrôlées en laboratoire. À ce titre, la méthode développée permet d’étudier l’efficacité de combustion efficacement en fonction du diamètre en faisant varier le flux de chaleur externe.

En plus d’un flux de chaleur externe pour simuler la plus grande échelle de in situ fonction de gravure des opérations, la configurations expérimentales refroidissement de la marée noire par un flux d’eau froide, simulant l’effet de refroidissement de la mer actuelle. La méthode discutée est en outre compatible avec frais et altérés des pétroles bruts. L’altération du pétrole brut décrit le processus physique et chimique qui affectent un pétrole brut une fois qu’il a été renversé sur l’eau, comme les pertes de ses composants volatils et le mélange avec de l’eau aux émulsions eau-dans-huile de forme (par exemple, AMAP17). Évaporation et émulsification comptent parmi les processus d’altération principaux qui influent sur l’inflammabilité des pétroles bruts18 et protocoles permettant de simuler ces processus d’altération sont donc inclus dans la méthode discutée.

Ici, nous présentons une méthode de laboratoire roman qui détermine l’inflammabilité et l’efficacité brûlante du pétrole brut dans des conditions qui simulent en situ burning opérations sur mer. Des études antérieures sur l’inflammabilité et l’efficacité brûlante de pétroles bruts en vedette des méthodes comparables et différents. L’inflammabilité des pétroles bruts frais et patinés en fonction d’un flux de chaleur externe a été étudiée sur l’eau19 et sous des températures arctiques20. Études d’efficacité brûlant généralement se concentrent sur différents types de produits frais et tanné des huiles brutes et des conditions environnementales à l’échelle fixe (p. ex., Fritt-Rasmussen, et al. 8Bech, Sveum, et al. 21). une étude récente sur la combustion des huiles brutes contenues par les éleveurs chimiques est, à la connaissance des auteurs, le premier à étudier l’efficacité de combustion pour petit, moyen, et des expériences à grande échelle en vertu de conditions similaires13. Expériences à grande échelle sont toutefois pas disponibles pour des études paramétriques en raison de la quantité considérable de temps et les ressources nécessaires pour mener de telles expériences. Le principal avantage de la méthode présentée sur les études mentionnées précédemment, c’est qu’elle permet en même temps étudier les deux l’inflammabilité et la gravure efficacité de pétrole brut dans des conditions semi réalistes. La combinaison d’étudier ces deux paramètres pour les pétroles bruts en fonction des types d’huiles différentes et le diamètre de la piscine (simulée) grâce à des expériences reproductibles facilement était précédemment irréalisable dans la pratique.

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Protocol

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Ce protocole utilise deux différentes configurations expérimentales qui sont utilisées dans les étapes 4 à 8, tel qu’illustré dans les schémas qui l’accompagne. La première configuration est le pétrole brut inflammabilité appareil (ca) (Figure 1 et Figure 4), qui se trouve à 1,0 × 1,0 × 0,50 m3 bassin métallique spécialement conçu pour les petits in situ brûlant d’expériences de pétrole brut, comme le montre par exemple dans Van Gelderen, Brogaard, et al. 22 la deuxième installation est un cône chauffage23 avec un allumeur qui dispose d’un porte-échantillon sur-mesure et un analyseur de gaz qui mesure l’O2, CO2, et les concentrations de CO dans le gaz d’échappement de gaine24 (Figure 2 et La figure 3). Les spécifications techniques de ces configurations sont décrites en détail dans le Document complémentaire, qui comprend également des photographies des configurations supplémentaires. Sauf indication contraire, les mesures de données (p. ex. température, flux de chaleur ou des concentrations de gaz) sont mesurées numériquement grâce à un enregistreur de données et multiplexeur. Les enregistreurs de données fonctionnent avec un programme d’acquisition de données numériques. Dans le protocole, l’expression « démarrer l’enregistreur de données » comprend toutes les actions selon les instructions du programme, tel que prévu par le constructeur, qui sont requises pour démarrer l’acquisition de données.

1. Généralités manutention du pétrole brut

  1. Pour chaque huile fraîche qui est étudié, prélever un échantillon de 5 mL et mesurer la densité et la viscosité à 25 ° C dans un viscosimètre. Conserver le reste de l’huile entre 5 et 10 ° C dans une bouteille en verre fermée jusqu'à l’utilisation ultérieure.
    Mise en garde : Frais de pétrole brut est très inflammable et pétrole brut et ses vapeurs présentent un niveau modéré à risque élevé pour la santé. Il est en outre difficile de nettoyer de la peau ou les yeux avec des produits chimiques non dangereux tels que le savon. Porter des gants et des lunettes de sécurité lors de la gestion du pétrole brut et de travailler dans un endroit bien aéré.
  2. Au début de chaque session de test, prendre les pétroles bruts qui seront testés sur le stockage (5-10 ° C) refroidi. Agiter chaque bidon d’huile à la main pendant 1-2 min et laisser chauffer à température ambiante avant d’effectuer des expériences. Retourner les pétroles bruts au stockage refroidi entre les sessions de test.
  3. Nettoyer toutes les surfaces accidentellement contaminés par du pétrole brut à l’aide d’un solvant non polaire volatil (e.g.,n-heptane).

2. par évaporation altération de pétrole brut en bouillonnant l’Air sous pression dans l’huile

Remarque : Cette étape est basée sur Stiver et Mackay25 et Buist, Potter, et al. 26

  1. Percer plusieurs trous (par exemple, six avec un diamètre (D) de 5 mm) uniformément répartie dans le couvercle d’un récipient en plastique de 5 à 10 L et percez un trou unique (par exemple,D = 8-10 mm) dans l’un des côtés du conteneur près de son bord supérieur.
  2. Faire un joint torique (environ D = 20 cm) avec un joint ouvrir la connexion de tubes en plastique avec un diamètre intérieur (D.I.) de 4 à 6 mm et un certain nombre de trous de forage (p. ex., six avec D = 1 mm) répartie de façon uniforme le long d’un côté du joint torique.
    NOTE : Essayer de compenser l’emplacement vertical des trous dans le couvercle des trous dans le joint torique de minimiser la quantité de pétrole brut étant soufflé hors du conteneur.
  3. Connectez le joint torique dans un tube en plastique (p. ex., diamètre intérieur de 4 à 8 mm) qui passe par l’orifice du côté du conteneur en plastique. Ce tube sera relié à un système d’air comprimé avec un robinet de réglage et d’un manomètre.
  4. Peser le couvercle et le récipient en plastique avec le joint torique en plastique séparément et enregistrer leur poids.
  5. Peser 2-4 L de pétrole brut (selon sa densité) dans le conteneur et enregistrer le poids.
  6. Placer un récipient sous une hotte aspirante et branchez le joint torique sur le système d’air comprimé. Bulle d’air par le biais de l’huile à une pression qui est la plus élevée possible (par exemple, 200 kPa) sans faire exploser l’huile à travers les trous dans le couvercle du conteneur.
  7. Peser l’huile au début et à la fin de chaque journée de travail à surveiller lors de l’état d’altération par évaporation désirée (en % de poids perdu) est atteint (par exemple, 20 % de poids perdu par rapport au poids initial). Cela peut prendre d’un jour à plus d’une semaine de bouillonnement continu, selon la pression d’huile type et de l’air. Chaque mesure de poids intermédiaire est utilisée pour établir une courbe d’évaporation en fonction du temps, ce qui aide à prédire le temps d’évaporation nécessaire pour atteindre l’état désiré altération par évaporation.
    Remarque : Après le premier jour, le pétrole brut peut généralement être laissé sous la hotte pendant plusieurs jours (par exemple le week-end) sans perdre une quantité importante de masse, la fermeture de l’air sous pression.
  8. Une fois terminée l’évaporation du pétrole brut, prélever un échantillon de 5 mL de l’huile et mesurer la densité et la viscosité à 25 ° C dans un viscosimètre. Conserver le reste de l’huile entre 5 et 10 ° C dans une bouteille en verre fermée pour une utilisation ultérieure. Nettoyez le récipient, couvercle et joint torique avec un solvant non polaire volatil pour enlever les résidus de pétrole brut.

3. l’émulsification du pétrole brut à l’aide d’une rotative secouant Table

Remarque : Cette partie du protocole a été modifiée par Daling, M., et al. 27

  1. Ajouter un total de 900 mL de pétrole brut et le mélange d’eau douce ou salée à une bouteille de verre de 1 L, avec la quantité d’eau correspondant à la vol% désiré dans l’émulsion. Par exemple, une émulsion avec vol 40 % teneur en eau est constituée de 540 mL de pétrole brut et 360 mL d’eau. Il est conseillé d’utiliser le pétrole évaporé, plutôt frais pétrole brut, de présenter plus précisément l’altération traite du pétrole déversé sur les eaux libres et créer des émulsions plus stables.
    Remarque : Il est important que la bouteille n’est pas entièrement remplie afin qu’il n’y a d’espace libre disponible pour le mélange turbulent de l’huile et l’eau.
  2. Agiter vigoureusement le mélange eau-huile à la main pendant 1-2 min. Puis placer la bouteille en verre sur une table vibrante rotative et remuer le mélange eau / huile à 175 tr/min pendant 20 h à la température ambiante.
    NOTE : Afin d’éviter tout problème avec la séparation de la couche d’eau de l’émulsion, mener les expériences avec l’émulsion sur le même jour que lorsque la période d’agitation 20 h est terminée.
  3. Prendre un échantillon de 5 mL de l’émulsion après les 20 h secouant période et mesurer la densité et la viscosité à 25 ° C dans un viscosimètre.
  4. Si l’émulsion est instable (voir ci-dessous), replacez l’émulsion sur le rotary secouant table et agiter constamment l’émulsion à 175 tr/min entre les expériences. Au début de chaque expérience, arrêtez manuellement le rotary secouant table, prendre la quantité nécessaire d’émulsion (étape 7,5) et puis la remettre le Rotary secouant la table. Une fois que toutes les expériences ont été menées avec l’émulsion, arrêter le rotary secouant table et stocker l’émulsion refroidie stockage (5-10 ° C).
  5. Si l’émulsion est stable, retirez l’émulsion de la table rotative vibrante et laissez-la reposer à température ambiante. Secouez l’émulsion vigoureusement pendant 1 à 2 min à la main avant de prendre la quantité nécessaire d’huile pour chaque expérience. Une fois que toutes les expériences ont été menées avec l’émulsion, stockez-le dans refroidi (5-10 ° C) storage.
    NOTE : Aux fins du présent protocole, émulsions instables sont définies comme les émulsions qui forment une couche d’eau visible avec plusieurs heures, c'est-à-dire avant la fin d’une journée de travail typique.

4. référence in Situ brûlant des expériences dans le ca (Figure 1) pour l’étalonnage du refroidissement de l’eau dans l’installation de cône

  1. Placez un cylindre de verre Pyrex haut 5 cm et un diamètre intérieur de 16,3 cm (diamètre extérieur de 16,9 cm) sur un stand, avec une hauteur combinée de 35-45 cm, dans le centre de la ca. La forme du titulaire n’est pas pertinente tant il permet une libre circulation de l’eau dans la zone couverte par le cylindre en verre Pyrex. Remplir le certificat d’autorisation à l’eau douce (340-440 L) afin que le niveau d’eau est de 1 cm sous le bord de la bouteille de verre Pyrex.
  2. Placez une hélice sur un des côtés de la COFA directement en face du cylindre en verre Pyrex. Allumez l’hélice et ajuster la hauteur verticale et flux pour que les vagues sont à peine observables dans l’eau à l’intérieur du cylindre en verre Pyrex. S’inscrire la hauteur verticale et la position de flux (par exemple, 1 000 L/h) et éteignez l’hélice avant de continuer le protocole.
    Remarque : L’hélice est utilisé pour créer un courant dans le corps de l’eau qui refroidit efficacement la couche d’eau au-dessous de la combustion du pétrole brut afin de prévenir le débordement phénomène28,29. Le débit initialement réglée et la hauteur verticale de l’hélice ne doit pas provoquer un refroidissement suffisant de la couche sous l’eau, et un débordement puis persiste.
    ATTENTION : Un débordement est un état de combustion explosif avec une hauteur de flamme sensiblement accrue, vitesse de combustion et taux de rejet de chaleur durant lequel l’huile gouttelettes sont éjectés de la feu29,30,31. S’assurer que tout matériel vulnérable est protégé (par exemple, une feuille d’aluminium) et garder le personnel et l’équipement à une distance appropriée de l’incendie.
  3. Peser une quantité de pétrole brut équivalent à une nappe de pétrole épaisse de 5 mm dans le cylindre en verre Pyrex (c.-à-d., basé sur la densité et un volume de 104 mL) dans un plat en aluminium.
  4. Versez l’huile brute sur l’eau à l’intérieur du cylindre en verre Pyrex. Veillez à ne pas se répandre l’huile à l’extérieur de la partie inférieure du cylindre en versant l’huile trop vite. Peser le plat d’aluminium à nouveau et enregistrer le poids réel du pétrole brut versé à l’intérieur du cylindre en verre Pyrex.
  5. Ajouter lentement l’eau à la COFA, jusqu'à ce que la surface de la nappe de pétrole est 1-2 mm sous le bord de la bouteille de verre Pyrex. Cette différence de hauteur est importante pour éviter que de l’huile ne déborde après son allumage.
  6. Allumer la hotte d’évacuation et l’hélice. Puis s’enflammer le pétrole brut à l’aide d’une torche manuelle de butane et mesurer le temps de combustion au moment de l’extinction avec un chronomètre de moment du démarrage.
  7. Après que le feu s’éteint naturellement, recueillir l’huile reste sur la surface de l’eau (appelée le résidu de combustion) à l’aide de tampons d’absorption hydrophobe avec un poids connu. Secouer les eaux collectées avant la pesée les patins pour déterminer le poids de résidus. L’efficacité de combustion est alors calculée en utilisant l’équation (1) et la vitesse de combustion est calculée en divisant la différence entre la masse initiale et la masse de résidus par la durée de combustion (en secondes).
    Equation 1(1)
  8. Dans les cas où le feu se traduit par un débordement, répéter l’étape de protocole 4 de drainage de l’eau de la ca jusqu'à ce que la surface de l’eau est à nouveau un centimètre au-dessous du bord de cylindre de verre Pyrex. Nettoyer les bords de la bouteille de verre Pyrex avec un solvant volatil, non polaires. Ensuite, réduire la distance verticale entre l’hélice et le cylindre en verre Pyrex ou accroître la position du flux de l’hélice et répétez les étapes de protocole 4,3 à 4,8.
  9. Dans le cas où le feu ne se termine pas par un débordement, utilisez l’efficacité de combustion calculée et la vitesse de combustion étape 4.7 pour calibrer l’eau de refroidissement dans la configuration du cône.

5. étalonnage de l’eau de refroidissement pour la configuration de cône (Figure 2 et Figure 3).

  1. Perforer un tube de plastique souple (diamètre intérieur de 4 mm) à un centimètre de son qui se termine par un thermocouple de Type K une épaisseur de 1 mm afin que le talon du thermocouple est suspendu librement à l’intérieur du tube. Fixez le thermocouple avec bande de polytétrafluoroéthylène (PTFE) et ruban d’aluminium pour s’assurer que le thermocouple ne bouge pas et que l’eau ne coule pas de la piqûre. Connecter le thermocouple à un enregistreur de données.
    1. Répétez l’étape 5.1 pour un tube avec un tube en acier inoxydable et insérez le thermocouple à l’aplomb de l’adaptateur de tube.
  2. Placer et fixer le premier tube en plastique avec son extrémité avec le thermocouple jusqu’au fond du réservoir refroidissement possible. Branchez l’autre extrémité du tube à l’entrée d’une pompe péristaltique avec une vitesse de débit réglable.
  3. Connecter un nouveau tube en plastique à la sortie de la pompe péristaltique et branchez l’autre extrémité de ce tube en plastique avec un adaptateur de tube en acier inoxydable. Branchez l’adaptateur de tube à une soupape de soufflet et raccorder la vanne soufflet de porte-échantillon et cône. Veiller à ce que les raccords ne fuient pas l’eau à l’aide de ruban PTFE entre les connexions lorsque cela est nécessaire.
  4. Connectez l’autre extrémité du porte-échantillon et cône à une soupape de soufflet, qui est ensuite connectée à l’adaptateur de tube de la sonde avec un thermocouple au-dessous de l’adaptateur. L’autre extrémité de ce tube est placée et fixée à la partie supérieure du réservoir refroidissement afin que l’eau sortant retourne dans le réservoir de refroidissement.
    Remarque : Assurez-vous que le tube d’entrée et le tube de sortie ont une distance spatiale suffisante dans le réservoir afin que l’eau chauffée n’est pas directement redistribuée, mais descend à la cool dans le réservoir avant de recirculation.
  5. Placez le porte-échantillon avec les tubes connectés sous le radiateur du cône. Régler la hauteur du titulaire afin que le bord extérieur est de 23 mm du bas de l’appareil de chauffage de cône. Assurez-vous que les tubes sont d’une longueur suffisante pour que le porte-échantillon facilement peut être placé sous le radiateur de cône, une fois que le porte-échantillon contient du pétrole brut.
  6. Remplir le réservoir de refroidissement d’eau déminéralisée et refroidir l’eau d’une température choisie (p. ex.,12 ° C). Ouvrir les vannes à soufflet et amorcer l’écoulement de l’eau à travers le porte-échantillon à un flux choisi (p. ex., 7 L/h). Secouez le titulaire pour enlever tout l’air restant du support afin que le titulaire obtient complètement rempli d’eau.
  7. Démarrez l’enregistreur de données et surveiller en permanence la température de l’eau entrées et sortant. Arrêter la pompe une fois que la température de l’eau sortant s’est stabilisé (c’est généralement quelques degrés au-dessus de la température du réservoir set), fermer les vannes à soufflet et sur le conduit d’évacuation.
  8. Placez le porte-échantillon sur une échelle de charge et tarer la balance. Ajouter une quantité d’huile pour le porte-échantillon qui correspond à une épaisseur lisse de 10 mm (c.-à-d., basé sur la densité et un volume de 95 mL). Ensuite, ouvrez les vannes à soufflet et remettre en route la pompe.
  9. Placez le porte-échantillon soigneusement sous le radiateur du cône et enflammer l’huile avec une torche manuelle de butane. Mesurer la durée de combustion au moment de l’extinction avec un chronomètre de moment du démarrage.
    ATTENTION : Lors de la gravure des huiles qui contiennent de l’eau, soit naturellement, soit en raison de l’émulsification, un débordement peut survenir au cours de la combustion (voir étape 4).
  10. Après extinction de l’incendie, arrêter la pompe, fermer les robinets, déconnecter les tubes et placez le porte-échantillon sur une échelle de taré. Enregistrer le poids du porte-y compris les résidus de combustion.
  11. Nettoyer les résidus d’huile brûlée du support avec un solvant non polaire volatil. Peser le support nettoyé à nouveau pour déterminer le poids de résidus. Calculez le rendement de combustion et combustion comme indiqué au point 4.7.
  12. Dans le cas où l’efficacité brûlante et la vitesse de combustion correspondent aux résultats de l’étape de protocole 4, la température de l’eau et le débit sont étalonnés maintenant et peuvent être utilisés à l’étape suivante du protocole. Dans le cas où l’efficacité brûlante et la vitesse de combustion ne correspondent pas les résultats de l’étape de protocole 4, choisissez un nouveau réservoir température et/ou la nouvelle coulée en conséquence. Reconnecter les tubes pour le porte-échantillon, ouvrir les vannes, démarrer la pompe, secouer le titulaire pour enlever tout l’air et puis répétez les étapes 5,7-5.12.
    Remarque : Il n’est peut-être pas possible de faire correspondre aussi bien l’efficacité de combustion et la vitesse de combustion. Aux fins du protocole décrit, l’efficacité de combustion est plus importante et devrait être mis en correspondance aussi précisément que possible. Lorsque vous testez plusieurs huiles, la température de l’eau et le débit peuvent être calibrés pour soit une huile ou pour chaque huile individuellement. Pendant l’étalonnage de la température de l’eau et le débit de chaque huile individuellement peut simuler l’huile brûlant sur l’eau avec plus de précision, résultats de temps de retard d’allumage de différentes huiles (étape 6) peuvent être plus facilement par rapport à quelle utilisant un fixe température de l’eau et écoulement pour chaque Faites des essais.

6. étalonnage de l’appareil de cône (Figure 2-3).

  1. Calibrer la corrélation entre la température du chauffage de cône et le flux thermique sortie en utilisant un flux de chaleur refroidi à l’eau un manomètre avec une capacité maximale de 100 kW/m2.
    1. Placer une pompe d’aquarium dans un seau et remplissez le seau d’eau froide du robinet afin que la pompe est complètement submergée.
    2. Connecter la pompe de l’aquarium à la jauge de flux de chaleur avec un tube en plastique. Connecter un second tube en plastique à la jauge de flux de chaleur et fixer l’autre extrémité du tube à l’intérieur de la benne, légèrement au-dessus de la surface de l’eau, afin que l’eau s’écoulant hors du tube peut être facilement observée. Mettre en marche la pompe et faire en sorte qu’un flux constant d’eau circule dans la jauge de flux de chaleur.
    3. Allumer la hotte d’évacuation et de chauffer le cône à 200 ° C. Placer la jauge de flux de chaleur (vers le haut) 25 mm sous le centre du cône et connectez la jauge de flux de chaleur à l’enregistreur de données. Commencer l’enregistreur de données, ouvrir les volets et mesurer le flux de chaleur pendant 5-10 min jusqu'à ce qu’un flux de chaleur stable lecture est acquis, puis arrêter la collecte de données et fermer les trappes.
    4. Répétez l’étape 6.1.3 à des températures de cône de 300, 400, 500, 600, 700, 720, 740, 760, 780 et 800 ° C.
  2. Déterminer les températures de cône qui correspondent aux flux de chaleur de 3 à 50 kW/m2 en utilisant les points de données mesurées et en supposant une corrélation linéaire entre les points de données.

7. inflammabilité des expériences de pétrole brut dans la configuration du cône (Figure 2-3)

  1. Au début de chaque session de test, vérifiez avec le flux de chaleur jauge si la température de cône correspondant à un flux de chaleur de 10 kW/m2 encore donne la lecture correcte (±5 %). Dans l’affirmative, poursuivre avec le protocole. Si ce n’est pas le cas, répétez l’étape 6 avant de continuer.
  2. Au début de chaque séance d’essais, allumer la hotte d’aspiration, tourner sur l’analyseur de gaz et étalonner l’analyseur de gaz selon les spécifications fournies par le fabricant.
  3. Veiller à ce que lorsque le porte-échantillon est placé dans le cône, il y a une distance de 23 mm entre le bas du cône et le bord extérieur du titulaire.
  4. Chauffer le cône à une température correspondant à un flux de chaleur de 5 kW/m2.
    1. En attendant, cool le réservoir d’eau à la température trouvée à l’étape 5, raccorder les tubes de l’eau pour le porte-échantillon, ouvrir les vannes et démarrer la pompe le débit trouvé à l’étape 5. Secouez le porte-échantillon pour enlever tout l’air emprisonné à l’intérieur de la porte. Démarrez l’enregistreur de données et surveiller la température de l’eau jusqu'à ce que la température de l’eau sortant s’est stabilisée.
    2. Une fois le cône et porte-échantillon et se stabilisent à leurs températures respectives, arrêter la pompe, fermer les vannes du porte-échantillon et débrancher les tubes de vannes.
  5. Placez le porte-échantillon sur une échelle de charge et tarer la balance. Ajouter une quantité d’huile à la température ambiante pour le porte-échantillon qui correspond à une épaisseur lisse de 10 mm (c.-à-d., basé sur la densité et un volume de 95 mL). Puis rebrancher les tuyaux, ouvrir les vannes à soufflet et remettre en route la pompe.
  6. Commencer l’enregistreur de données de l’analyseur de gaz pour mesurer l’O2, CO2et les concentrations de CO dans les gaz de combustion et la température de l’eau dans - et out - flowing.
  7. Placez le porte-échantillon sous le cône délicatement et prêt deux chronomètres. Déplacez l’allumeur en position sur l’échantillon. Ouvrez les volets, puis démarrer le chronomètre premier.
  8. Après son allumage de l’huile, en même temps arrêter le chronomètre premier et démarrer le chronomètre en deuxième. Puis replacez l’allumeur en position neutre, loin de l’échantillon de brûlure.
    1. Si l’huile ne s’enflamme pas moins de 10 min, arrêter le chronomètre premier et remettez l’allumeur sur la position neutre. Puis s’enflammer l’huile à l’aide d’une torche manuelle de butane et commencer le second chronomètre.
      ATTENTION : Lors de la gravure des huiles qui contiennent de l’eau, soit naturellement, soit en raison de l’émulsification, un débordement peut-être survenir durant la combustion (étape 4).
  9. Après extinction de l’incendie, arrêter le chronomètre deuxième, fermer les volets et arrêter la collecte de données de l’analyseur de gaz et la température de l’eau de refroidissement. Puis arrêter la pompe, fermer les robinets, déconnecter les tubes et placez le porte-échantillon sur une échelle de taré. Enregistrer le poids du porte-y compris les résidus de combustion.
  10. Nettoyer le support de tout résidu d’huile brûlée avec un solvant non polaire volatil. Peser le support nettoyé à nouveau pour déterminer le poids de résidus. Calculez le rendement de combustion et combustion comme indiqué au point 4.7.
  11. Pour chaque huile qui doit être testé, répétez les étapes 7.4-7.10 pour flux de chaleur de 10, 20, 30, 40 et 50 kW/m2. Enlever la suie déposée sur la spirale chauffante cône après chaque expérience.
    1. Afin d’établir que le minimum requis de flux de chaleur nécessaire pour l’allumage piloté, c'est-à-dire le flux de chaleur critique, il peut être nécessaire tester le flux de chaleur supplémentaire. Répétez les étapes 7.4-7.10 pour flux de chaleur réduits de 1 kW/m2 paliers entre le flux de chaleur plus faible à laquelle allumage piloté a eu lieu jusqu'à ce qu’un flux de chaleur est testé pour lequel allumage piloté n’est pas observée pendant 10 min. Le flux de chaleur critique est alors trouvé dans une fourchette supérieure 1 kW/m2 de ce flux de chaleur.
      ATTENTION : Pétroles très volatils peuvent s’enflammer spontanément quand soumis à très haute chaleur flux (au moins 40 kW/m2), même lorsque les volets de la chaufferette de cône sont fermés.

8. la température surface sur des expériences d’allumage de pétrole brut dans la configuration de certificat d’autorisation (Figure 4).

  1. Placez un cylindre de verre Pyrex haut de 5 cm avec un diamètre intérieur de 16,3 cm (diamètre extérieur de 16,9 cm) sur un stand, avec une hauteur totale de 35-45 cm, dans le centre de la COFA (Figure 1). Placer deux radiateurs (IR) infrarouges montées sur des semelles en acier inoxydable réglables sur deux côtés opposés de la bouteille de verre Pyrex à une distance horizontale d’au moins 5 cm du bord extérieur du cylindre.
    Remarque : Le cahier des charges précis et les dimensions des appareils de chauffage IR sont sans pertinence tant qu’ils peuvent fournir un flux de chaleur suffisamment élevée à la surface de l’huile pour enflammer les pétroles bruts, qui nécessite généralement 5 à 20 kW/m2 pour l’allumage. Une puissance minimum de 1 largeur de chauffage kW et minimum de 17 cm sont avisés. Les systèmes de refroidissement des appareils de chauffage IR, tels que ventilateurs, devraient en outre pas interagir avec la nappe de pétrole pendant l’expérience.
  2. Pour mesurer la température de surface après son allumage d’un pétrole brut, un incident, flux de chaleur de 2-5 kW/m2 plus élevé que le flux de chaleur critique (étape 7.11.1) est conseillé.
    1. Préparer une jauge de flux de chaleur de2 100 kW/m selon les étapes 6.1.1-6.1.2 et connecter la jauge de flux de chaleur à un enregistreur de données. Lieu de jauge dans le centre de la bouteille de verre Pyrex, le flux de chaleur vers le haut, à une hauteur de 1 à 2 mm sous le bord supérieur du cylindre. La zone horizontale à cette hauteur à l’intérieur le Pyrex cylindre en verre est ci-après dénommé « l’horizontale ». Ce plan horizontal correspond à la surface d’une nappe d’hydrocarbures à l’intérieur du cylindre en verre Pyrex.
      Remarque : Veiller à ce que la jauge de flux de chaleur peut être librement déplacée dans le plan horizontal afin qu’il permet de mesurer le flux thermique incident à divers endroits du plan horizontal. Le Pyrex verre bouteille seulement fonctionne comme une aide visuelle pour placer correctement le flux de chaleur jauge horizontale, ainsi si nécessaire, le cylindre Pyrex peut être enlevé au cours de l’étape 8.2.
    2. Démarrer l’enregistreur de données, mettre en marche les appareils de chauffage IR et surveiller le flux thermique incident au centre du plan horizontal. Régler le flux thermique incident au plan horizontal en ajustant la localisation spatiale de la chauffe de IR (hauteur, l’angle et la distance horizontale à l’horizontale) et leur pourcentage de sortie de puissance jusqu'à ce que le flux thermique incident désirée est obtenu.
    3. Mesurer le flux thermique incident à la périphérie du plan horizontal. Dans tous les endroits, le flux thermique incident devrait être de 2-5 kW/m2 plus élevé que le flux de chaleur critique de l’huile qui sera testé. Ajustez l’emplacement et le pourcentage de sortie de puissance des appareils de chauffage IR selon l’étape précédente, si nécessaire.
    4. Après chaque réglage de la sortie de localisation et de la puissance des appareils de chauffage IR, mesurer le flux thermique incident à l’horizontale en son centre et les bords extérieurs.
    5. Répétez les étapes 8.2.2-8.2.5 jusqu'à ce que le flux thermique incident mesuré dans le plan horizontal est de 2 à 5 kW/m2 plus élevé que le flux de chaleur critique de l’huile choisie. Puis, éteignez les appareils de chauffage IR et enlevez la jauge de flux de chaleur. Replacer le cylindre en verre Pyrex sur son stand, si nécessaire.
  3. Remplir le certificat d’autorisation à l’eau douce (340-440 L) afin que le niveau d’eau est un centimètre au-dessous du bord de la bouteille de verre Pyrex. Placez une hélice sur un des côtés de la COFA directement en face du cylindre en verre Pyrex à la hauteur, trouvé à l’étape 4.
  4. Placer et fixer un ensemble de trois thermocouples de Type K épaisseur 1 mm à 1-2 mm du bord de la bouteille de verre Pyrex. Organiser les thermocouples afin qu’ils mesurent le long du rayon du cylindre, avec une distance d’environ 1-2 cm entre chaque thermocouple. Connecter les thermocouples à un enregistreur de données.
  5. Attacher un allumeur avec un collier métallique à une tige de métal sur un support métallique qui se trouve dans le certificat d’autorisation. Placer le support pour que l’allumeur peut facilement être déplacé d’une position neutre à une position 2-3 cm au-dessus de la zone centrale de la bouteille de verre Pyrex et à sa position neutre à nouveau.
  6. Peser une quantité de pétrole brut équivalent à une nappe de pétrole épaisse de 5 mm dans le cylindre en verre Pyrex (c.-à-d., basé sur la densité et un volume de 104 mL) dans un plat en aluminium.
  7. Versez l’huile brute sur l’eau à l’intérieur du cylindre en verre Pyrex. Veillez à ne pas se répandre l’huile à l’extérieur de la partie inférieure du cylindre en versant l’huile trop vite. Peser le plat d’aluminium à nouveau et enregistrer le poids réel du pétrole brut versé à l’intérieur du cylindre en verre Pyrex.
  8. Ajouter lentement l’eau à la COFA, jusqu'à ce que la surface de l’huile vient en contact avec les trois thermocouples. Déplacer l’allumeur à sa position au-dessus de l’huile.
  9. Commencer l’enregistreur de données et un chronomètre en harmonie afin que chaque seconde correspond à un numéro d’analyse spécifique. Allumer la hotte d’aspiration, l’hélice et l’allumeur. Tourner sur les chauffages IR et régler la puissance de sortie pour le pourcentage trouvé à l’étape 8.2.
  10. Après son allumage de l’huile, arrêter l’enregistreur de données et de chronomètre, éteignez l’allumeur et déplacez-le vers sa position neutre et mettre hors tension les appareils de chauffage IR et l’hélice. Puis éteindre le feu en plaçant soigneusement une couverture non combustible sur le cylindre de verre Pyrex. Éteindre l’incendie peut exiger les thermocouples à déplacer loin première.
  11. Recueillir et éliminer le pétrole avec des tampons d’absorption hydrophobe. Vidanger l’eau de la ca jusqu'à ce que le niveau d’eau est suffisamment bas pour mesurer le flux thermique incident au plan horizontal avec une jauge de flux de chaleur. Nettoyer le cylindre de verre Pyrex avec un solvant non polaire volatil.
  12. Tracer la température des trois thermocouples en fonction du nombre de scan. Basé sur le temps sur le chronomètre, le nombre correspondant de scan et le tracé graphique, déterminer la température de surface après son allumage du pétrole brut testé.
  13. Pour chaque huile supplémentaire qui est testé, répétez les étapes 8.2-8.12.

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Representative Results

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La figure 5 montre la courbe de l’évaporation d’un pétrole brut léger qui a été évaporée pendant plusieurs jours à une perte de 30 % en poids à l’aide de la méthode décrite à l’étape 2. La figure montre clairement qu’après le premier jour de l’altération par évaporation (19 h), le taux d’évaporation est sensiblement réduit, qui permet d’obtenir des pauses comme mentionné dans le protocole.

La figure 6 montre le temps de retard d’allumage en fonction du flux thermique incident du radiateur cône (step 7, Figure 2-3) pour les frais Grane (pétrole brut) et évaporé Grane avec des pertes de 7 % en poids. Les résultats donnent un exemple du temps de retard d’allumage accrue pour évaporé des pétroles bruts. En outre, le flux de chaleur critique, représenté par les asymptotes verticales, augmente aussi en fonction des pertes par évaporation. Dans l’ensemble, ces résultats donnent une impression de la force et l’exposition durée qu'une source d’allumage doit avoir pour enflammer ces différents types de pétroles bruts. Résultats additionnels obtenus avec le protocole décrit ci-après se trouvent dans Van Gelderen, Rojas Alva, et al. 32

Une présentation plus typique de la durée du délai d’allumage comme une fonction du flux thermique incident est illustrée à la Figure 7. Les nappes de pétrole brut se comportent généralement comme matériaux thermiquement épais et le temps de retard d’allumage (tig) peuvent alors être décrites par l’équation (2)19,32.

Equation 2(2)

Ici, k est la conductivité thermique, ρ la masse volumique, c le coefficient de chaleur spécifique, Tig la température à la surface après son allumage, T la température ambiante (supposée pour être de 20 ° C), des capacité d’absorption, et Equation 3 du flux thermique incident. Réécrire cette équation donne le temps de retard d’allumage comme une fonction linéaire du flux thermique incident (EQ. 3).

Equation 4(3)

En traçant le temps de retard d’allumage sous forme de 1 /Equation 5 en fonction du flux thermique incident, les données devraient montrer une courbe de tendance linéaire et permettent ainsi d’évaluer la validité des données. En outre, les pentes des lignes de tendance pour différents pétroles bruts donnent une indication de leurs relatives inerties thermiques (kρc) parce que le bas de la pente, il est difficile de chauffer (et donc s’enflammer) un pétrole brut.

Les résultats pour évaporé Grane (Figure 7) donnent un bon exemple d’un ensemble de données qui correspond à sa courbe de tendance linéaire, avec une valeur de2 R de 0,991. En revanche, les résultats pour frais Grane commencent clairement à s’écartent de la tendance linéaire au flux de chaleur plus élevées (30 kW/m2). Ce comportement est probablement causée par les temps de retard d’allumage extrêmement courte (< 10 s) à ces flux de chaleur élevé pour ce type de carburant volatil. Frais Grane, semblable aux autres huiles brutes fraîches, contient une grande quantité de composants volatils qui s’enflammer très rapidement sous flux thermique incident élevé. Une des hypothèses que sous-jacentes EQ. (2) qui est le temps que nécessaire pour les gaz combustibles, d’évaporation du carburant à mélanger avec de l’oxygène et atteindre l’allumeur est négligeable33. Avec le temps de retard d’allumage de moins de 10 secondes, cependant, ce temps de mélange, qui est estimé à l’ordre de quelques secondes, devient-il un facteur important de la durée du délai d’allumage. Équation (2) n’est alors plus valable avec ces délais courts d’allumage, et par conséquent les données s’écarte de la ligne de tendance linéaire. Lorsque l'on étudie l’inflammabilité des pétroles très volatiles, ce comportement doit donc tenir compte lorsqu’on analyse les données de temps de retard d’allumage.

La figure 8 montre les taux de dégagement de chaleur en fonction du temps pour un pétrole léger frais et un émulsion du pétrole brut léger (préparées selon les étapes 2-3). Les taux de rejet de chaleur sont calculées avec l’O2, CO2et des mesures de concentration de CO de l’analyseur de gaz (étape 7) selon l’équation (26) de Janssens34. Voir le Document complémentaire pour plus de détails sur ces calculs. Le pétrole brut frais montre un profil de taux de libération de chaleur typique d’un taux de rejet de chaleur diminue lentement au fil du temps, qui est représentatif de tous les pétroles bruts qui ne contiennent pas d’eau. Le pétrole émulsionné montre un bon exemple de l’explosivité du phénomène débordement, avec un taux de rejet de chaleur qui augmente rapidement jusqu'à un facteur de cinq fois supérieur à la phase de combustion régulière avant débordement. Cependant, les débordements sont des phénomènes très irréguliers, et l’intensité, la durée et le temps d’apparition dépendant de la stabilité et le pourcentage de volume de l’eau à l’intérieur du pétrole brut.

La figure 9 illustre l’efficacité brûlante et la vitesse de combustion en fonction du flux thermique incident pour un pétrole léger frais et un pétrole évaporé lourd avec des pertes de 7 % en poids. La vitesse de combustion et le brûlant d’efficacité augmentent avec la flux thermique incident pour les deux types de pétrole brut. Au flux de chaleur faible, l’efficacité de combustion montre une différence significative entre le frais du pétrole brut léger et le lourd pétrole évaporé. Au flux de chaleur plus élevées, les efficacités de combustion pour ces huiles convergent vers des valeurs semblables, qui est un comportement typique pour tous les types de pétrole brut frais et patiné. La vitesse de combustion ne montre pas cette tendance convergente pour différentes huiles, étant donné que la durée de combustion varie également en fonction du flux thermique incident, ce qui peut être différent pour chaque type d’huile. Pour les huiles brutes contenant de l’eau, la fraction de l’eau doit en principe pas être comptabilisée lors du calcul de l’efficacité de combustion et la vitesse de combustion parce que c’est un matériau incombustible. Cependant, l’eau s’évapore au cours de la combustion et l’apparition de débordement plus complique efficacité brûlure et brûlure des estimations de taux qu’il propulse les gouttelettes d’huile et l’eau du carburant. Par conséquent, émulsionnées pétroles bruts peut ainsi afficher les données affichées, par exemple dans la Figure 9, des déviations et il faut veiller lors de l’analyse d’efficacité brûlure et brûlure taux résulte du pétroles bruts contenant de l’eau.

La figure 10 illustre la température superficielle des deux thermocouples à la surface de carburant en fonction du temps pour un évaporation du pétrole brut léger avec des pertes de 20 % en poids dans les paramètres de certificat d’autorisation (étape 8, Figure 4). Le résultat montre une pointe claire en température après 178 s. Juste avant ce moment, la température de surface du pétrole brut est de 129 ° C, mesurée par les deux thermocouples, qui est la température à la surface après son allumage. En combinaison avec les résultats de temps de retard d’allumage pour cette huile (étape 7), EQ. (2) permet ensuite de calculer l’inertie thermique de l’huile. Le tableau 1 montre les valeurs d’inertie thermique de ce pétrole brut léger évaporé, basé sur sa température de surface après son allumage à 129 ° C et son temps de retard d’allumage en fonction du flux thermique incident. Wu, et collab. 19 a conclu que la capacité d’absorption n’a pas pu être définie à l’unité pour les pétroles bruts et ce terme a été ainsi inclus dans le calcul de l’inertie thermique. On trouvera des valeurs de la littérature de l’inertie thermique des pétroles bruts à des fins de comparaison dans Wu, et al. 19 et Ranellone, et al. 20

Figure 1
Figure 1 : Schémas de l’installation ca. Les schémas incluent une vue détaillée de la bouteille de verre Pyrex sur son stand (à gauche), une vue de dessus de la COFA (au milieu) et une vue en coupe transversale de l’installation complète (à droite). En outre, un ensemble de trois gros plans (a-c) montrent le processus de remplissage de la ca qui correspond au protocole étapes 4.1 (a), 4,4 (b) et 4,5 (c). La configuration de certificat d’autorisation est utilisée à l’étape 4 afin de déterminer les points d’étalonnage de l’efficacité brûlante et la vitesse de combustion d’un pétrole brut pour la configuration de cône. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Full aperçu schématique de l’installation de cône (pour ne pas mettre à l’échelle). L’installation se compose d’un radiateur de cône avec une unité de contrôle, un porte-échantillon cône sur mesure, une pompe péristaltique et réservoir et un conduit d’évacuation avec un analyseur de gaz de refroidissement à eau. Les schémas disposent également d’un gros plan de la mise en place de thermocouple dans les tubes de l’eau (étape 5.1). Cette configuration est utilisée à l’étape 7 afin d’étudier l’inflammabilité des pétroles bruts. Notez qu’il n’y a pas de contact direct entre l’huile et l’eau de refroidissement dans cette configuration, car ils sont séparés par le support métallique. Détails du porte-échantillon et cône sont donnés à la Figure 3. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Détaillée transversale schématique du porte-échantillon circulaire de la configuration du cône. Les bords en métal empêchent l’huile de débordement après son allumage et sont inclinées à 30° de la nappe d’hydrocarbures afin de minimiser le rayonnement. Ce porte-échantillon de cône est utilisé à l’étape 7 pour étudier l’inflammabilité des pétroles bruts. Notez qu’il n’y a pas de contact direct entre l’huile et l’eau de refroidissement dans cette configuration, car ils sont séparés par le support métallique. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : Schémas de la ca de configuration pour l’étude de la température de surface de pétrole après son allumage. Les schémas montrent une vue de dessus (à gauche) et vue en coupe (à droite) et le programme d’installation inclut des appareils de chauffage infrarouges (IR), un allumeur et un ensemble de trois thermocouples pour mesurer la température de surface de la nappe d’hydrocarbures (étape 8). Détails supplémentaires sur la configuration de certificat d’autorisation sont indiquées à la Figure 1. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5 : Les pertes par évaporation d’un pétrole brut léger (CIC) en fonction du temps. Les données ont été obtenues à l’aide de la méthode de propagation aérienne décrite à l’étape 2 et montrent clairement un taux d’évaporation réduite après la première journée (19 h).

Figure 6
Figure 6 : Résultats de temps de retard d’allumage en fonction de l’incident de flux pour une nouvelle chaleur et évaporé (perte de 7 % en poids) du pétrole brut lourd (Grane). Ces données ont été obtenues à l’aide de la configuration du cône (Figure 2) selon le protocole à l’étape 7. Les asymptotes verticales montrent le flux de chaleur critique (4 et 7 kW/m2) dans une fourchette supérieure de 1 kW/m2 . Les barres d’erreur indiquent une plage de données basée sur des expériences de 2-3.

Figure 7
Figure 7 : Résultats de temps de retard d’allumage en fonction de l’incident de flux pour une nouvelle chaleur et évaporé (perte de 7 % en poids) du pétrole brut lourd (Grane). Ces données ont été obtenues à l’aide de la configuration du cône (Figure 2), selon le protocole à l’étape 7 et traitées avec l’équation (2). Les résultats indiquent que la Grane évaporé possède une inertie thermique plus élevée que les frais Grane, comme prévu. Le graphique montre en outre comment, pour huiles volatiles de brut au flux thermique incident élevé, retard d’allumage très court temps (< 10 s) peuvent s’écarter de la ligne de tendance linéaire. Les barres d’erreur indiquent une plage de données basée sur des expériences de 2-3.

Figure 8
Figure 8 : Taux de rejet de chaleur en fonction du temps pour un pétrole léger et frais et un pétrole léger émulsionné avec évaporé des pertes de 40 % en poids et contenant 40 % d’eau vol. Les données ont été obtenues du paramétrage du cône (Figure 2) en traitant l’O2, CO2et des mesures de concentration de CO de l’analyseur de gaz (étape 7) selon l’équation (26) de Janssens34. Le pétrole brut frais montre un profil de taux de libération de chaleur régulière de pétroles bruts sans eau contenu. L’émulsion du pétrole brut léger a provoqué un débordement à la fin de la brûlure et son profil de dégagement de chaleur donne une indication de l’intensité d’un débordement par rapport à un feu régulier de pétrole brut.

Figure 9
Figure 9 : Efficacité de combustion et brûler taux en fonction du flux thermique incident pour un frais de pétrole léger (DUC) et un évaporation du pétrole brut lourd avec des pertes de 7 % en poids (Grane 7 %). Les données ont été obtenues dans la configuration du cône (Figure 2) conformément à l’étape 7 et montrent comment les efficacités brûlantes du pétrole différents types convergent au flux thermique incident élevé. Tous les points de données avaient une erreur maximale de 2,5 % par rapport aux moyennes indiquées.

Figure 10
Figure 10 : Température à la surface en fonction du temps pour deux thermocouples pendant une expérience d’allumage dans le ca avec un évaporée du pétrole brut léger avec des pertes de 20 % en poids. Les données ont été obtenues dans le paramétrage de la ca (Figure 4) selon le protocole à l’étape 8. La flambée soudaine des températures après 178 s indique le moment du démarrage. Le droit de température avant ce pic soudain de température indique la température de surface après son allumage.

Tig (° C) Equation 3
(kW/m2)
tig (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

Tableau 1 : temps de retard d’allumage et une inertie thermique correspondante en fonction de l’incident de chaleur flux pour un évaporation du pétrole brut léger avec des pertes de 20 % en poids. L’inertie thermique est calculée en utilisant l’équation (2), basé sur les données de temps de retard d’allumage obtenues à l’étape 7 et la température de surface sur les données de contact à l’étape 8.

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Discussion

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Les deux méthodes de météorisation décrit dans ce livre sont une approximation relativement simple des processus d’altération qu’un pétrole déversé sur l’eau est soumis à17. Autres méthodes sophistiquées d’altération plus peuvent aussi servir à fournir des échantillons de pétrole superficiel par les agents, tels que la circulation flume décrite par Brandvik et Faksness35. L’avantage des méthodes présentées est qu’elles nécessitent des équipements simples et qu’il peuvent être facilement effectuées dans un environnement de laboratoire. Les pétroles superficiel par les agents qui en résultent sont ensuite fonctionnelles aux fins de l’inflammabilité et des études d’efficacité brûlant dans ce protocole, tel que démontré dans la section résultats de représentant.

Une des limites principales dans le protocole est le calibrage de l’eau de refroidissement pour la configuration de cône (étape 5). Le problème est qu’il n’y a aucune donnée de référence disponibles pour in situ brûlant des expériences sur le terrain à la même échelle et dans des conditions similaires comme l’installation de cône. En outre, il n’y a aucun modèles de transfert de chaleur facilement disponible qui peuvent être utilisés en pratique pour déterminer le bilan thermique entre un combustion du pétrole brut et son sous-poil qui coule de l’eau. L’eau de refroidissement d’étalonnage donc doit reposer sur des données expérimentales de la configuration de certificat d’autorisation (étape 4). Comme mentionné dans le protocole, l’étalonnage peut être effectué pour chaque huiles unique ou pour chaque huile séparément. Sans données de référence ou un modèle de transfert de chaleur convenable, il est impossible de savoir laquelle de ces méthodes, le cas échéant, donne une représentation correcte de l’équilibre de la chaleur pour la gravure de in situ du pétrole brut sur l’eau.

Le bilan thermique dans la configuration du cône est encore compliqué en soumettant le pétrole brut à un flux de chaleur externe, qui peut également affecter la capacité de refroidissement de l’eau qui coule à travers le porte-échantillon cône. Au cours de la combustion d’un pétrole brut sous le radiateur du cône, l’eau sortant augmente la température au fil du temps, dont l’étendue dépend du flux thermique incident. À du flux thermique incident maximale de 50 kW/m2, l’eau a été même observé à bouillir, car la vapeur est sorti de la sortie d’eau. Il est actuellement peu clair dans quelle mesure l’eau de refroidissement est directement chauffée par le radiateur du cône (et non l’huile brûlante) et si elle a un effet significatif sur les résultats. Que par une vaste étude expérimentale empirique serait-il possible d’optimiser le refroidissement d’étalonnage pour tous les flux thermique incident testées et pour chaque type d’huile testé à eau. Malgré ces problèmes, mise en œuvre de l’eau de refroidissement dans le setup de cône sans aucun doute amélioré la capacité de l’installation de cône pour représenter sur place des conditions de combustion. Des expériences préliminaires avec un porte-échantillon sans l’eau de refroidissement n’a pas pu reproduire les efficacités de combustion faibles observée dans le ca et ne pouvaient servir à représenter la combustion in situ du pétrole brut. La limitation discutée n’est donc pas une question de savoir si l’actuelle cône installation représente in situ burning conditions de pétrole brut sur l’eau, mais dans quelle mesure il représente correctement ces conditions. Comme autant que nous sachions, la procédure de laboratoire présenté est, nonobstant cette limitation, actuellement la méthode la plus réaliste pour l’étude de l’inflammabilité et l’efficacité de combustion in situ brûler du pétrole brut sur l’eau.

Une étape cruciale dans le protocole est la mesure de la température de surface après son allumage dans la configuration de certificat d’autorisation (étape 8). Il est très important que lorsque l’hélice est allumé, la surface de la nappe d’huile dans le cylindre de verre Pyrex est aussi fixe que possible. Si la surface de l’huile est trop en mouvement (verticale), l’emplacement et le flux de l’hélice (étape 4) doivent être ajustées afin de réduire la turbulence à la surface de l’huile. Sans une surface de pétrole encore, il devient très difficile de mesurer avec précision la température de surface après son allumage à l’étape 8. Le choix des radiateurs IR est également essentiels à la réussite de cette étape. Lors de l’élaboration du présent protocole, on a constaté que les chauffages IR doivent avoir un très haut niveau de rayonnement de sortie, tout en étant aussi compact que possible et avoir un système de refroidissement qui n’interfère pas avec les mesures de température. Il est donc important de choisir soigneusement un ensemble de radiateurs IR pour l’installation de ca à la Figure 4. Idéalement, les appareils de chauffage IR doivent être en mesure de fournir qu'un flux de chaleur d’au moins 15 kW/m2 à des distances beaucoup plus loin que 5 cm de la bouteille de verre Pyrex. Cela permettrait en utilisant les appareils de chauffage IR tandis que le pétrole brut est brûlant. L’efficacité de combustion des huiles brutes peut ensuite être testée en fonction d’un flux thermique incident dans un dispositif expérimental qui représente le mieux sur place des conditions de combustion.

Outre la représentation d' in situ brûlant des conditions pendant l’inflammabilité et la brûlure expériences d’efficacité pourraient être améliorés grâce à des modifications ou des ajouts pour le ca et le cône des configurations diverses. Actuellement, les expériences sont effectuées dans des conditions environnementales très calmes. Il a été démontré par in situ brûlant des études sur le terrain, toutefois, que les vagues et du vent peuvent également affecter l’inflammabilité du pétrole brut5,21,36,37. Pour simuler ces conditions, le ca pourrait par exemple être équipé avec une machine à vague et des fans qui créent un vent sur la surface de l’eau. Les climats plus froids peuvent être simulés en utilisant un fluide de refroidissement plus froid dans la configuration du cône, similaire à Ranellone, et al. 20, ou en ajoutant des glaces au plan d’eau dans le ca. Enfin, l’épaisseur initiale des nappes de pétrole brut peut varier dans les expériences, parce que c’est également un paramètre connu pour influer sur l’inflammabilité et l’efficacité brûlante de pétroles bruts5,22.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Les auteurs tiennent à remercier le Conseil danois pour la recherche indépendante pour le financement du projet (Grant DDF - 1335-00282). COWIfonden a financé la construction de l’appareil d’inflammabilité de pétrole brut et de l’analyseur de gaz, y compris l’insertion de la gaine. Maersk Oil et Statoil ont fourni les pétroles bruts qui ont été utilisés pour les résultats représentatifs. Aucun des commanditaires ont été impliqués dans le protocole ou les résultats de cette étude. Les auteurs tiens également à remercier Ulises Rojas Alva pour aide à la construction de porte-échantillon et mis à jour le cône.

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.

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References

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Une procédure expérimentale pour Laboratory Studies of <em>In Situ</em> brûlant : inflammabilité et l’efficacité de combustion de pétrole brut
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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).

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