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Engineering

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

Published: May 1, 2018 doi: 10.3791/57307
Automatic Translation
1, 1,2
1Department of Civil Engineering, Technical University of Denmark, 2School of Engineering, BRE Centre for Fire Safety Engineering, University of Edinburgh

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 arktischen3,4,5 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 Systeme5,7,8,9gerichtet 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.

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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. 22 das zweite Setup ist ein Kegel Heizung23 mit einem Funken Zünder, die verfügt über eine maßgeschneiderte Probenhalter und ein Gasanalysator, die der O2, CO2, misst und CO-Konzentrationen in den Auspuff Kanal24 (Abbildung 2 und ( Abbildung 3). Die technischen Spezifikationen dieser Setups sind zusätzliche in das ergänzende Dokument ausführlich beinhaltet auch Fotos der Setups. Sofern nicht anders angegeben, sind Daten Messungen (z. B. Temperaturen, Wärmestromes oder Gaskonzentrationen) durch einen multiplexer und Datenlogger Digital gemessen. Die Datenlogger sind mit einem digitalen Daten-Übernahme-Programm betrieben. Im Protokoll umfasst die Phrase "den Datenlogger starten" alle Maßnahmen entsprechend den Anweisungen des Programms, wie vorgesehen durch den Hersteller, die die Erfassung von Daten beginnen müssen.

1. allgemeine Handhabung von Rohöl

  1. Nehmen Sie für jede Frischöl, die untersucht werden sollen eine 5 mL Probe und Messen Sie die Dichte und Viskosität bei 25 ° C in einem Viskosimeter. Speichern Sie den Rest des Öls bei 5-10 ° C in einer verschlossenen Glasflasche bis zur weiteren Verwendung.
    Vorsicht: Frisches Rohöl ist leicht entzündlich und Rohöl und seine Dämpfe eine mäßige bis hohe Gesundheitsrisiko darstellen. Es ist außerdem schwierig, von Haut- und Augenkontakt mit ungefährlichen Chemikalien wie Seife sauber. Schutzbrille und Handschuhe zu tragen, beim Umgang mit Rohöl und arbeiten in einem gut belüfteten Raum.
  2. Zu Beginn jeder Test-Sitzung nehmen Sie die Rohöle, die aus den gekühlten (5-10 ° C) Lagerung getestet werden. Schütteln Sie jedes Öl Behälter per hand für 1 – 2 min. und lassen Sie sie Hitze bis zu Raumtemperatur vor der Durchführung von Experimenten. Die gekühlte Lagerung zwischen Test-Sessions die Rohöle zurückzukehren.
  3. Reinigen Sie alle Oberflächen versehentlich mit Rohöl mit einem flüchtigen unpolare Lösungsmittel (e.g.,n-Heptan).

(2) evaporative Verwitterung von Rohöl von sprudelnden Druckluft durch das Öl

Hinweis: Dieser Schritt basiert auf Stuiver und Mackay25 und Buist, Potter, Et Al. 26

  1. Bohren Sie eine Reihe von Löchern (z.B.sechs mit 5 mm Durchmesser (D)) gleichmäßig verteilt in den Deckel des Kunststoff-Container von 5-10 L und eine einzelne Bohrung (z.B.,D = 8-10 mm) in einer der Seiten des Behälters in der Nähe seiner Oberkante.
  2. Machen einen o-Ring (ca. D = 20 cm) mit einer angehängten öffnen Sie Verbindung aus Kunststoff-Rohre mit einem Innendurchmesser (ID) von 4-6 mm und eine Anzahl Löcher bohren (z.B., sechs mit D = 1 mm) gleichmäßig verteilte entlang einer Seite des o-Rings.
    Hinweis: Versuchen Sie, die vertikale Position der Löcher in den Deckel aus den Löchern in den o-Ring zum Minimieren von Rohöl aus dem Container heraus geblasen ausgeglichen.
  3. Schließen Sie den o-Ring an ein Kunststoffrohr (z.B. I.D. von 4-8 mm), die durch die seitliche Öffnung der Kunststoff-Container geht. Dieses Rohr wird mit einem Druckluft-System ein Regelventil mit Manometer verbunden sein.
  4. Wiegen Sie den Deckel und die Kunststoff-Behälter mit Kunststoff o-Ring getrennt und registrieren Sie ihr Gewicht.
  5. 2-4 L Rohöl (basierend auf seine Dichte) im Container wiegen und das Gewicht zu registrieren.
  6. Stellen Sie den Behälter unter einem Abzug und verbinden Sie den o-Ring mit dem Druckluft-System. Blase Luft durch das Öl bei einem Druck, der so hoch wie möglich (z. B. 200 kPa) ohne Öl durch die Löcher im Deckel des Behälters weht.
  7. Wiegen Sie das Öl am Anfang und Ende eines jeden Arbeitstages zu überwachen, wenn der gewünschte evaporative Verwitterung Zustand (in Gew.-% verloren) erreicht wird (z. B. 20 Gew.-% verloren im Vergleich zu den ursprünglichen Gewichts). Dies kann von einem Tag auf mehr als einer Woche der kontinuierlichen sprudeln, je nach Typ und Luft Öldruck dauern. Jeder fortgeschrittene Gewichtsmessung wird verwendet, um eine Verdunstung Kurve als Funktion der Zeit, zu etablieren, das hilft mit der Vorhersage der notwendigen Verdampfung Zeit, den gewünschten evaporative Verwitterung Zustand zu erreichen.
    Hinweis: Nach dem ersten Tag kann das Rohöl in der Regel in der Dunstabzugshaube für mehrere Tage (z.B. über das Wochenende) gelassen werden ohne nennenswerte Menge an Masse zu verlieren, wenn die Druckluft geschlossen wird.
  8. Sobald die Verdunstung des Rohöls fertig ist, nehmen Sie eine Probe 5 mL des Öls und Messen Sie die Dichte und Viskosität bei 25 ° C in einem Viskosimeter. Speichern Sie den Rest des Öls bei 5-10 ° C in einer verschlossenen Glasflasche für die weitere Verwendung. Reinigen der Behälter, Deckel und o-Ring mit einem flüchtigen unpolare Lösungsmittel um jede Rohöl-Reste zu entfernen.

3. die Emulgierung von Rohöl mit einem Rotary schütteln Tabelle

Hinweis: Dieser Teil des Protokolls wurde von Daling, M., Et al.modifiziert. 27

  1. Eine 1 L Glasflasche fügen Sie insgesamt 900 mL Erdöl-und süß- oder Salzwasser-Wasser-Gemisch mit der Menge des Wassers, die Anpassung der gewünschten vol% in der Emulsion hinzu. Zum Beispiel besteht eine Emulsion mit 40 Vol % Wassergehalt von 540 mL Rohöl und 360 mL Wasser. Es ist ratsam, verdampften Rohöl zu verwenden, anstatt frische Rohöl, genauer gesagt die Verwitterung präsentieren Prozesse des ausgelaufenen Öls auf offenem Wasser und erstellen stabilere Emulsionen.
    Hinweis: Es ist wichtig, dass die Flasche nicht vollständig gefüllt ist, so dass freier Speicherplatz für die turbulente Durchmischung von Öl und Wasser vorhanden ist.
  2. Kräftig schütteln von hand das Wasser-Öl-Gemisch für 1-2 min. Dann legen Sie die Glasflasche auf einem Drehtisch schütteln und rühren Sie das Wasser-Öl-Gemisch bei 175 u/min für 20 h bei Raumtemperatur.
    Hinweis: Um Probleme mit der Trennung von der Wasserschicht aus der Emulsion zu verhindern, führen Sie die Experimente mit der Emulsion am selben Tag als nach Abschluss die 20 h schütteln Periode.
  3. Nehmen Sie eine 5 mL Probe der Emulsion nach der 20 h Zeit schütteln und Messen Sie seine Dichte und Viskosität bei 25 ° C in einem Viskosimeter.
  4. Wenn die Emulsion instabil (siehe unten) ist, setzen Sie die Emulsion wieder auf die Rotary schütteln Tabelle und ständig schütteln Sie die Emulsion bei 175 u/min zwischen Experimente. Zu Beginn jedes Experiments der Rotary schütteln Tabelle manuell zu stoppen, nehmen Sie die erforderliche Menge an Emulsion (Schritt 7,5) und dann an die Rotary schütteln Tabelle zurückgeben. Sobald alle Experimente mit der Emulsion durchgeführt wurden, stoppen Sie die Rotary schütteln Tabelle und speichern Sie die Emulsion in gekühlten (5-10 ° C) Lagerung.
  5. Wenn die Emulsion stabil ist, entfernen Sie die Emulsion aus schütteln Drehtisch und bei Zimmertemperatur ruhen lassen. Schütteln Sie die Emulsion kräftig für 1 – 2 min. von hand vor der Einnahme der erforderlichen Menge an Öl für jedes Experiment. Sobald alle Experimente mit der Emulsion durchgeführt wurden, an gekühlte Lagerung (5-10 ° C) aufbewahren.
    Hinweis: Im Sinne dieses Protokolls sind instabile Emulsionen als Emulsionen definiert, die eine deutlich sichtbar Wasserschicht mit mehreren Stunden, d.h. vor dem Ende des einen typischen Arbeitstag zu bilden.

4. Verweis in Situ brennen Experimente in der COFA (Abbildung 1) für die Kalibrierung der Wasserkühlung im Kegel-Setup

  1. Legen Sie einen 5 cm hohen Pyrex Glaszylinder und einen Innendurchmesser von 16,3 cm (Außendurchmesser von 16,9 cm) auf einem Ständer, mit einer kombinierten Höhe von 35-45 cm, in der Mitte der COFA. Die Form des Inhabers ist irrelevant, solange es für einen freien Fluss des Wassers unter den Geltungsbereich der Pyrex-Glas-Zylinder ermöglicht. Füllen Sie das COFA mit frischem Wasser (340-440 L), so dass der Wasserstand 1 cm unter den Rand des Zylinders Pyrex Glas ist.
  2. Legen Sie einen Propeller auf einer der Seiten der COFA direkt mit Blick auf die Pyrex-Glas-Zylinder. Schalten Sie den Propeller und passen Sie die vertikale Höhe und fließen Sie damit Wellen in das Wasser im Inneren des Zylinders Pyrex Glas gerade noch zu beobachten sind. Tragen Sie die vertikale Höhe und Fluss Haltung (z.B. 1.000 L/h) und deaktivieren Sie den Propeller, bevor Sie fortfahren des Protokolls.
    Hinweis: Der Propeller ist einen Strom in das Gewässer zu erstellen, die effektiv die Wasserschicht unter dem brennenden Rohöl kühlt zur Vermeidung der Boilover Phänomen28,29verwendet. Den ursprünglich eingestellten Fluss und die vertikale Höhe des Propellers können verursachen keine ausreichende Kühlung der Sub Wasserschicht, und ein Boilover dann immer noch auftritt.
    Achtung: Ein Boilover ist ein explosiver brennenden Zustand mit einem deutlich erhöhten Flammenhöhe, Brenngeschwindigkeit und Hitze Freisetzungsrate, während welches, die Öl Tröpfchen aus dem Feuer29,30,31ausgeworfen wird sind. Sicherzustellen Sie, dass keine gefährdeten Ausrüstung geschützt (z.B.mit Alufolie) und halten Sie Personal und Ausrüstung in einem angemessenen Abstand vom Feuer.
  3. Wiegen Sie eine Menge an Rohöl entspricht einer 5 mm dicken Ölpest im Pyrex-Glas-Zylinder (d. h.anhand der Dichte und ein Volumen von 104 mL) in eine Aluminium-Schale.
  4. Gießen Sie das Rohöl auf dem Wasser im Inneren des Zylinders Pyrex Glas. Achten Sie darauf, dass Sie nicht außerhalb der Boden des Zylinders Ölpest durch Gießen das Öl zu schnell. Wiegen Sie die Aluminium-Schale wieder und registrieren Sie das tatsächliche Gewicht des Rohöls im Inneren des Zylinders Pyrex Glas gegossen.
  5. Langsam Wasser hinzufügen der COFA bis die Oberfläche des Ölteppichs 1-2 mm unter dem Rand des Zylinders Pyrex Glas. Diese Höhendifferenz ist wichtig, die verhindert, dass das Öl überläuft auf Zündung.
  6. Aktivieren Sie die Dunstabzugshaube und den Propeller. Dann entzünden Sie das Rohöl mit einem Butan Hand Fackel und Messen Sie die Brenndauer ab dem Zeitpunkt der Zündung bis zum Moment des Aussterbens mit der Stoppuhr.
  7. Nachdem das Feuer natürlich erloschen ist, sammeln das Öl auf der Wasseroberfläche (bekannt als das Brennen Rückstand) mit hydrophoben Absorption Pads mit einem bekannten Gewicht. Schütteln Sie jede gesammelte Wasser vor dem wiegen die Pads zur Ermittlung des Gewichts Essigreiniger ab. Die brennende Effizienz wird dann mit GL. (1) berechnet und die Brenngeschwindigkeit wird ermittelt, indem die Differenz zwischen der Ausgangsmasse und Rückstände Masse durch die Brenndauer (in Sekunden).
    Equation 1(1)
  8. Wiederholen Sie in Fällen, wo das Feuer ergibt sich ein Boilover Protokoll Schritt 4 durch Ablassen von Wasser aus der COFA bis die Wasseroberfläche wieder einen Zentimeter unterhalb der Pyrex Glas Zylinder Kante ist. Reinigen Sie die Kanten der Pyrex Glaszylinder mit einem flüchtigen, unpolare Lösungsmittel. Dann reduzieren Sie den vertikalen Abstand zwischen Propeller und dem Pyrex Glaszylinder und/oder erhöhen Sie die Fluss Haltung des Propellers und wiederholen Sie Protokoll Schritte 4,3 bis 4,8.
  9. Für den Fall, dass das Feuer nicht mit einem Boilover endet, verwenden Sie die berechneten brennende Effizienz und Brenngeschwindigkeit im Schritt 4.7, um die Wasserkühlung im Kegel-Setup zu kalibrieren.

(5) Kalibrierung der Wasserkühlung für den Kegel-Setup (Abbildung 2 und Abbildung 3).

  1. Stechen Sie ein flexibles Kunststoffrohr (4 mm I.D.) bei einem Zentimeter aus seiner endet mit einem 1 mm dicken K-Typ Thermoelement, dass die Thermoelement-Perle im Inneren der Röhre frei aufgehängt ist. Befestigen Sie das Thermoelement mit Polytetrafluorethylen (PTFE) Band und Alu-Klebeband um sicherzustellen, dass das Thermoelement nicht bewegt und dass Wasser von der Punktion nicht leckt. Schließen Sie das Thermoelement an ein Datenlogger.
    1. Wiederholen Sie Schritt 5.1 für ein Rohr mit einem Edelstahl-Rohradapter und stecken Sie das Thermoelement direkt unterhalb der Schlauchadapter.
  2. Positionieren Sie und befestigen Sie die erste Kunststoffröhre mit seinem Ende mit Thermoelement so weit auf den Boden des kühlenden Reservoirs wie möglich. Verbinden Sie das andere Ende des Schlauches mit dem Einlass einer peristaltischen Pumpe mit einer einstellbaren Geschwindigkeit.
  3. Schließen Sie eine neue Kunststoff-Rohr an die Steckdose der peristaltischen Pumpe und schließen Sie das andere Ende dieses Kunststoffröhre mit einem Edelstahl-Rohradapter. Ein Balg versiegelt Ventil anschließen Sie der Rohradapter und Probe waffelhalter Balg versiegelt Ventil an. Stellen Sie sicher, dass die Verbindungen nicht Wasser eindringen zu tun, mit PTFE-Band zwischen den Anschlüssen bei Bedarf.
  4. Schließen Sie die andere Seite der Probe waffelhalter an ein Balg-versiegelt-Ventil, das dann an den Rohradapter des Rohrs mit einem Thermoelement unterhalb der Adapter angeschlossen ist. Das andere Ende dieses Schlauches ist platziert und an der Spitze der der kühlenden Reservoir fixiert, so dass das abfließende Wasser zum Kühlen Stausee zurück.
    Hinweis: Stellen Sie sicher, dass der Einlass und auslassrohr ausreichende räumliche Distanz im Behälter haben, damit erwärmtes Wasser nicht direkt rezirkuliert, sondern zum Abkühlen nach unten in den Behälter vor der Rückführung ruft.
  5. Ort der Probenhalter mit den angeschlossenen Rohren unter die Kegel-Heizung. Die Höheneinstellung des Inhabers, so dass der äußere Rand 23 mm vom unteren Rand der Kegel-Heizung ist. Stellen Sie sicher, dass die Rohre von ausreichender Länge sind, so dass der Probenhalter leicht unter die Kegel-Heizung platziert werden kann, sobald der Probenhalter das Rohöl enthält.
  6. Die Kühlung mit entmineralisiertem Wasser füllen und das Wasser auf eine gewünschte Temperatur (z.B.12 ° C). Öffnen Sie Faltenbalg-versiegelt Ventile und starten Sie den Wasserfluss durch die Probenhalter bei einem gewählten Strömung (z. B. 7 L/h). Schütteln Sie die Halterung um Restluft aus der Halterung zu entfernen, so dass der Halter komplett mit Wasser gefüllt wird.
  7. Starten Sie den Datenlogger und überwachen Sie kontinuierlich die Temperatur des in- und abfließende Wasser. Die Pumpe zu stoppen, sobald die abfließende Wassertemperatur stabilisiert hat (Dies ist in der Regel ein paar Grad über die eingestellte Reservoir Temperatur), schließen die Ventile Balg abgedichtet, und schalten Sie die Dunstabzugshaube.
  8. Der Probenhalter auf einer Last-Skala und Tarieren Sie die Waage. Der Probenhalter, der zu einer glatten Dicke von 10 mm (d. h.anhand der Dichte und ein Volumen von 95 mL) entspricht fügen Sie eine Menge an Öl hinzu. Dann Balg versiegelt Ventile öffnen und die Pumpe wieder starten.
  9. Der Probenhalter sorgfältig unter die Kegel-Heizung zu platzieren und das Öl mit einer Butan Hand Fackel zu entzünden. Messen Sie die Brenndauer ab dem Zeitpunkt der Zündung bis zum Moment des Aussterbens mit der Stoppuhr.
    Achtung: Beim Brennen Öle, die Wasser enthalten, entweder natürlich oder durch Emulgierung, ein Boilover auftreten bei der Verbrennung (siehe Schritt 4).
  10. Nachdem das Feuer erloschen ist, stoppen Sie die Pumpe, schließen Sie die Ventile trennen Sie der Rohre und platzieren Sie der Probenhalter auf einer geeichten Skala zu. Das Gewicht des Inhabers einschließlich des Burn-Rückstands zu registrieren.
  11. Reinigen Sie Verbranntes Öl Rückstände aus der Halterung mit einem flüchtigen unpolare Lösungsmittel. Wiegen Sie die gereinigten Halter erneut, um die Rückstände Gewicht zu bestimmen. Berechnen Sie dann die brennende Effizienz und Brenndauer wie in Schritt 4.7 beschrieben.
  12. Für den Fall, dass die brennende Effizienz und Brenngeschwindigkeit die Ergebnisse von Protokoll Schritt 4 übereinstimmen, die Wassertemperatur und Strömung sind jetzt kalibriert und können im folgenden Protokoll Schritt verwendet werden. Für den Fall, dass die brennende Effizienz und Brenngeschwindigkeit nicht die Ergebnisse von Protokoll Schritt 4 übereinstimmen, wählen Sie ein neues Reservoir Temperatur und/oder neue Strömung entsprechend. Verbinden Sie die Rohre auf der Probenhalter, öffnen Sie Ventile, starten Sie die Pumpe, schütteln Sie die Halterung um die Luft zu entfernen und wiederholen Sie die Schritte 5,7-5.12.
    Hinweis: Es kann nicht die brennende Effizienz und die Brenngeschwindigkeit entsprechen möglich. Im Sinne der beschriebenen Protokolls die brennende Effizienz ist wichtiger und sollten so genau wie möglich abgestimmt werden. Wenn Sie mehrere Öle testen, können die Wassertemperatur und die Strömung für entweder ein Öl oder für jedes Öl individuell kalibriert werden. Beim kalibrieren die Wassertemperatur und Durchflussmenge für jedes Öl das Öl brennt auf dem Wasser genauer individuell simulieren kann, Zündung Verzögerung Zeit Ergebnisse verschiedener Öle (Schritt 6) kann ohne weiteres als im Vergleich mit einer festen Wassertemperatur und flow für alle Experimentieren Sie.

6. Kalibrierung der Kegel Heizung (Abbildung 2-3).

  1. Kalibrieren Sie den Zusammenhang zwischen der Temperatur der Heizung Kegel und die Hitze Flussmittel Ausgabe mit einem wassergekühlten Wärmestrom Messgerät mit einer maximalen Kapazität von 100 kW/m2.
    1. Legen Sie eine aquariumpumpe in einen Eimer und füllen Sie den Eimer mit kaltem Leitungswasser, so dass die Pumpe vollständig untergetaucht ist.
    2. Die aquariumpumpe an Hitze Flussmittel Messgerät mit einem Kunststoffrohr anschließen. Anschließen Sie eine zweite Kunststoffrohr an Hitze Flussmittel Messgerät und beheben Sie das andere Ende des Schlauches in die Eimer, etwas oberhalb der Wasseroberfläche zu, so dass Wasser aus dem Rohr fließt leicht beobachtet werden kann. Schalten Sie die Pumpe und damit ein stetigen Strom von Wasser fließt durch die Hitze Flussmittel Gauge.
    3. Schalten Sie die Dunstabzugshaube und den Kegel auf 200 ° c erhitzen Die Hitze Flussmittel Gauge (nach oben) 25 mm unterhalb der Mitte des Kegels und schließen Sie die Hitze Flussmittel Spurweite an den Datenlogger an. Starten Sie den Datenlogger, Öffnen der Rollläden, messen den Wärmestrom für 5-10 min, bis eine stabile Wärmestrom lesen erworben wird, stoppen die Datenerfassung und Schließen der Rollläden.
    4. Wiederholen Sie Schritt 6.1.3 bei Kegel Temperaturen von 300, 400, 500, 600, 700, 720, 740, 760, 780 und 800 ° C.
  2. Bestimmen Sie die Kegel-Temperaturen, die Wärmestromes von 3-50 kW/m2 mit den gemessenen Datenpunkte und vorausgesetzt eine lineare Korrelation zwischen Datenpunkten entsprechen.

7. die Entflammbarkeit Experimente von Rohöl in die Kegel-Setup (Abbildung 2-3)

  1. Zu Beginn jeder Test-Sitzung, erkundigen Sie sich bei den Wärmestrom ermitteln, ob die Kegel-Temperatur entspricht einem Wärmestrom von 10 kW/m2 noch richtig gelesen (±5 %) gibt. Wenn ja, fahren Sie mit dem Protokoll. Ist dies nicht der Fall, wiederholen Sie Schritt 6, bevor Sie fortfahren.
  2. Testen Sie zu Beginn eines jeden Sitzung, schalten Sie die Dunstabzugshaube, schalten Sie den Gas-Analyzer und Kalibrieren Sie der Gasanalysator gemäß den Spezifikationen, die vom Hersteller zur Verfügung gestellt.
  3. Stellen Sie sicher, dass wenn der Kegel der Probenhalter unterstellt ist, gibt es eine Strecke von 23 mm zwischen der Unterseite des Kegels und dem äußeren Rand des Inhabers.
  4. Erwärmen Sie den Kegel auf eine Temperatur entspricht einem Wärmestrom 5 kW/m2.
    1. In der Zwischenzeit kühl der Wasserbehälter auf die Temperatur gefunden in Schritt 5, schließen Sie die Wasser-Rohre an der Probenhalter, Ventile öffnen und starten Sie die Pumpe an den Fluss, die in Schritt 5 gefunden. Schütteln der Probenhalter um Luft gefangen in der Halterung zu entfernen. Starten Sie den Datenlogger und überwachen Sie die Temperatur des Wassers, bis die abfließende Wassertemperatur stabilisiert hat.
    2. Sobald der Konus und der Probenhalter bei ihren jeweiligen eingestellten Temperaturen stabilisieren, stoppen Sie die Pumpe zu, schließen Sie die Ventile der Probenhalter und die Ventile trennen Sie die Rohre.
  5. Der Probenhalter auf einer Last-Skala und Tarieren Sie die Waage. Der Probenhalter, der zu einer glatten Dicke von 10 mm (d. h. anhand der Dichte und ein Volumen von 95 mL) entspricht fügen Sie eine Menge an Öl bei Raumtemperatur hinzu. Schließen Sie die Schläuche, öffnen Sie Faltenbälge abgedichtet Ventile und starten Sie die Pumpe wieder.
  6. Starten Sie den Datenlogger für die Gas-Analysator zur Messung der O2, CO2und CO-Konzentrationen in der Verbrennungsgase und die Wassertemperatur in und out - flowing.
  7. Setzen der Probenhalter unter dem Kegel vorsichtig und zwei Stoppuhren bereit. Der Funken Zünder über der Probe in Position bewegt. Dann die Fensterläden öffnen und die erste Stoppuhr starten.
  8. Nach Zündung des Öls gleichzeitig die erste Stoppuhr stoppen und die zweite Stoppuhr starten. Verschieben Sie dann die Funken Zünder zurück in seine neutrale Position Weg von den brennenden Probe.
    1. Wenn das Öl nicht innerhalb von 10 min zündet, die erste Stoppuhr stoppen und der Funken Zünder in die neutrale Position zurück. Dann das Öl mit einer Butan Hand Fackel entzünden und die zweite Stoppuhr starten.
      Achtung: Beim Brennen Öle, die Wasser enthalten, auftreten entweder natürlich oder durch Emulgierung, eine Boilover der brennenden (Schritt 4).
  9. Nachdem das Feuer erloschen ist, die zweite Stoppuhr, schließen Sie die Rollläden zu, und beenden Sie die Datenerfassung der Gas-Analysator und kühlen Wassertemperaturen. Dann schalten Sie die Pumpe, schließen Sie die Ventile trennen Sie der Rohre und platzieren Sie der Probenhalter auf einer geeichten Skala zu. Das Gewicht des Inhabers einschließlich des Burn-Rückstands zu registrieren.
  10. Reinigen Sie den Inhaber von verbranntem Öl Rückstände mit einem flüchtigen unpolare Lösungsmittel. Wiegen Sie die gereinigten Halter erneut, um die Rückstände Gewicht zu bestimmen. Berechnen Sie dann die brennende Effizienz und Brenndauer wie in Schritt 4.7 beschrieben.
  11. Wiederholen Sie für jedes Öl, das getestet werden soll Schritte 7,4-7.10 für Wärmestromes von 10, 20, 30, 40 und 50 kW/m2. Entfernen Sie alle Ruß auf die Heizspirale Kegel nach jedem Experiment hinterlegt.
    1. Um festzustellen, dass die erforderliche Wärmestrom für pilotierten Zündung, d. h. die kritischen Wärmestromdichte benötigt, ist die zusätzliche Wärmestromes testen erforderlich. Wiederholen Sie die Schritte, die 7,4-7.10 für Wärmestromes gesenkt von 1 kW/m2 Schritten von der niedrigsten Wärmestrom bei denen pilotierten Zündung aufgetreten, bis einem Wärmestrom getestet wird für die pilotierten Zündung innerhalb von 10 min nicht beachtet wird. Die kritischen Wärmestromdichte wird dann in einem 1 kW/m2 obere Bereich von dieser Wärmestrom gefunden.
      Achtung: Sehr volatil Rohöle können spontan entzünden wenn ausgesetzt sehr hohe Hitze (≥40 kW/m2), Abwehrhaltungen, selbst wenn die Fensterläden der Kegel Heizung geschlossen sind.

8. die Oberflächentemperatur bei Zündung Experimente von Rohöl in das COFA Setup (Abbildung 4).

  1. Legen Sie einen 5 cm hohen Pyrex Glaszylinder mit einem Innendurchmesser von 16,3 cm (O.D 16,9 cm) auf einem Ständer, mit einer kombinierten Höhe von 35-45 cm, in der Mitte der COFA (Abbildung 1). Legen Sie zwei Infrarotstrahler (IR) an verstellbaren Edelstahl-Stände an zwei gegenüberliegenden Seiten des Zylinders Pyrex Glas in einem horizontalen Abstand von mindestens 5 cm von der Außenkante des Zylinders montiert.
    Hinweis: Die genauen Spezifikationen und Abmessungen der IR-Heizungen sind irrelevant, solange sie ein ausreichend hoher Wärmestrom an die Öl-Oberfläche, Rohöle, entzünden bieten kann, die in der Regel 5 bis 20 kW/m2 für Zündung erfordert. Eine minimale Leistung von 1 kW und minimale Heizung Breite von 17 cm wird empfohlen. Alle Kühlsysteme der IR-Heizungen, wie Luft-Lüfter, sollte außerdem nicht mit der Ölpest während des Experiments interagieren.
  2. Messen der Oberflächentemperatur bei Zündung ein Rohöl, ein Vorfall wird Wärmestrom von 2-5 kW/m2 höher als seine kritischen Wärmestromdichte (Schritt 7.11.1) empfohlen.
    1. Bereiten Sie ein 100 kW/m2 Wärme Flussmittel Messgerät nach Schritten 6.1.1-6.1.2 und verbinden Sie Wärme Flussmittel Messgerät mit Datenlogger. Ort der Wärmestrom Spurweite in der Mitte des Zylinders Pyrex Glas, nach oben, auf einer Höhe von 1 – 2 mm unterhalb der Oberkante des Zylinders. Die horizontale Fläche in dieser Höhe im Inneren der Pyrex Glaszylinder von nun an als "der Horizontalebene" bezeichnet wird. Diese horizontale Ebene entspricht der Oberfläche einer Ölpest im Inneren des Zylinders Pyrex Glas.
      Hinweis: Sicherstellen Sie, dass die Hitze Flussmittel Gauge in der Horizontalebene frei verschoben werden kann, damit es den Vorfall Wärmestrom an verschiedenen Standorten von der horizontalen Ebene messen kann. Die Pyrex Glas Zylinder nur Funktionen als visuelle Hilfe für die korrekte Platzierung des Wärmestroms Horizontalebene, Messen damit bei Bedarf die Pyrex-Zylinder während Schritt 8.2 entnommen werden kann.
    2. Starten Sie den Datenlogger, schalten Sie die IR-Heizungen, und überwachen Sie den Vorfall Wärmestrom in der Mitte der horizontalen Ebene. Optimieren Sie den Vorfall Wärmestrom auf der horizontalen Ebene durch die räumliche Lage des IR-Heizungen (Höhe, Winkel und horizontalen Abstand von der horizontalen Ebene) und ihre Leistung Ausgang Prozentsatz anpassen, bis die gewünschte Vorfall Wärmefluss entsteht.
    3. Messen Sie den Vorfall Wärmestrom an den Außenkanten der Horizontalebene. An allen Standorten sollte der Vorfall Wärmestrom 2-5 kW/m2 höher als die kritische Wärmestromdichte des Öls, das getestet werden. Passen Sie die Lage und Macht Ausgabe Prozentsatz der IR-Heizungen nach dem vorherigen Schritt bei Bedarf an.
    4. Messen Sie nach jeder Einstellung der Lage und Ausgangsleistung der IR-Heizungen den Vorfall Wärmestrom auf der horizontalen Ebene im Zentrum und den äußeren Rändern.
    5. Wiederholen Sie Schritte 8.2.2-8.2.5, bis der gemessenen Vorfall Wärmestrom in der Horizontalebene 2-5 kW/m2 höher als die kritische Wärmestromdichte des gewählten Öls ist. Schalten Sie die IR-Heizungen, und entfernen Sie die Hitze Flussmittel Gauge. Platzieren Sie Pyrex-Glas-Zylinder zurück auf seinem Ständer, bei Bedarf.
  3. Füllen Sie das COFA mit frischem Wasser (340-440 L), so dass der Wasserstand einen Zentimeter unter dem Rand des Zylinders Pyrex Glas ist. Legen Sie einen Propeller auf einer der Seiten der COFA direkt mit Blick auf die Pyrex Glaszylinder auf der Höhe, die in Schritt 4 gefunden.
  4. Positionieren Sie und befestigen Sie einen Satz von drei 1 mm dicken Typ K Thermoelemente bei 1-2 mm unter dem Rand des Zylinders Pyrex Glas. Ordnen Sie die Thermoelemente so an, dass sie entlang der Radius des Zylinders, mit einem Abstand von ca. 1-2 cm zwischen den einzelnen Thermoelement messen. Verbinden Sie die Thermoelemente mit Datenlogger.
  5. Ein Metallstab auf ein Metall-Ständer, die in der COFA steht zuordnen Sie ein Funken Zünder mit einer Metallklemme. Stand zu platzieren, so dass der Zünder leicht aus einer neutralen Position an eine Position verschoben werden kann ca. 2-3 cm über dem zentralen Bereich des Zylinders Pyrex Glas und wieder in seine neutrale Position wieder.
  6. Wiegen Sie eine Menge an Rohöl entspricht einer 5 mm dicken Ölpest im Pyrex-Glas-Zylinder (d. h. anhand der Dichte und ein Volumen von 104 mL) in eine Aluminium-Schale.
  7. Gießen Sie das Rohöl auf dem Wasser im Inneren des Zylinders Pyrex Glas. Achten Sie darauf, dass Sie nicht außerhalb der Boden des Zylinders Ölpest durch Gießen das Öl zu schnell. Wiegen Sie die Aluminium-Schale wieder und registrieren Sie das tatsächliche Gewicht des Rohöls im Inneren des Zylinders Pyrex Glas gegossen.
  8. Langsam Wasser hinzufügen der COFA bis die Oberfläche des Öls nur in Kontakt mit den drei Thermoelemente kommt. Bewegen Sie die Funken Zünder an seiner Position über das Öl.
  9. Datenlogger und eine Stoppuhr synchron zu starten, so dass jede Sekunde eine spezielle Scan-Nummer übereinstimmt. Schalten Sie die Dunstabzugshaube, der Propeller und der Funken Zünder. Schalten Sie die IR-Heizungen und die Leistung auf den Prozentsatz in Schritt 8.2 gefunden.
  10. Halten Sie nach Zündung des Öls der Stoppuhr und Datenlogger an, schalten Sie die Funken Zünder, und in seiner neutralen Position verschieben Sie und schalten Sie die IR-Heizungen und der Propeller. Dann löschen Sie das Feuer, indem man vorsichtig eine nicht brennbare Abdeckung über dem Pyrex-Glas-Zylinder. Die Löscharbeiten erfordern die Thermoelemente zu verschiebende Weg zuerst.
  11. Sammeln Sie und entsorgen Sie das Rohöl mit hydrophoben Absorption Pads. Lassen Sie Wasser aus der COFA ab, bis der Wasserstand niedrig genug, um den Vorfall Wärmestrom auf der horizontalen Ebene wieder mit einem Wärme-Flux-Messgerät zu messen ist. Reinigen Sie Pyrex Glaszylinder mit einem flüchtigen unpolare Lösungsmittel.
  12. Zeichnen Sie die Temperatur der drei Thermoelemente als eine Funktion der Anzahl Scan. Basierend auf der Zeit auf die Stoppuhr, die entsprechende Anzahl von Scan und die geplottete Graph, bestimmen Sie die Oberflächentemperatur nach Zündung des getesteten Rohöls.
  13. Wiederholen Sie für jedes zusätzliche Öl, das getestet wird Schritte 8.2-8.12.

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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 zeigt die Zündung-Delay-Zeit in Abhängigkeit von der einfallenden Wärmestrom von der Kegel-Heizung (Schritt 7, Abbildung 2-3) für frische Grane (ein schweres Rohöl) und verdampft Grane mit Verlusten von 7 Gew.-%. Die Ergebnisse geben ein Beispiel für die erhöhte zündverzugszeiten für verdampfte Rohöle. Darüber hinaus erhöht die kritische Wärmestrom, vertreten durch die vertikale Asymptoten, auch in Abhängigkeit von der Verdunstungsverluste. Insgesamt geben diese Ergebnisse einen Eindruck von der Stärke und der Exposition Dauer, die eine Zündquelle benötigt haben, um diese verschiedenen Arten von Rohölen entzünden. Weitere Ergebnisse, die mit dem hier beschriebenen Protokoll finden Sie in Van Gelderen, Rojas Alva, Et Al. 32

Eine typische Präsentation der Zündung Verzögerungszeit als eine Funktion des einfallenden Wärmestroms in Abbildung 7dargestellt ist. Crude Oil Slicks Verhalten in der Regel als thermisch Materialdicken und die Zündung-Delay-Zeit (tIg) kann dann durch GL. (2)19,32beschrieben werden.

Equation 2(2)

Dabei ist k die thermische Leitfähigkeit, ρ die Dichte, c die spezifische Wärme-Koeffizient, TIg die Oberflächentemperatur auf Zündung, T∞ der Umgebungstemperatur (angenommen um 20 ° C), eine der Absorptionsvermögen, und Equation 3 der einfallenden Wärmestrom. Diese Gleichung umschreiben, gibt die Zündung-Delay-Zeit als eine lineare Funktion des einfallenden Wärmestroms (GL. 3).

Equation 4(3)

Durch Auftragen der Zündung-Delay-Zeit in Form von 1 /Equation 5 in Abhängigkeit von der einfallenden Wärmestrom, sollten die Daten zeigen eine lineare Trendlinie, und als solche für die Beurteilung der Gültigkeit der Daten ermöglichen. Darüber hinaus der Piste Trendlinien für verschiedene Rohöle geben Aufschluss über ihre relative thermische Trägheit (Kρc), denn je geringer die Neigung, desto schwieriger ist es, ein Rohöl erwärmen (und damit entzünden).

Die Ergebnisse für verdampfte Grane (Abbildung 7) geben ein gutes Beispiel für einen Datensatz, der mit seiner lineare Trendlinie mit R2 = 0.991 passt. Auf der anderen Seite beginnen die Ergebnisse für frische Grane deutlich von der lineare Trend zu höheren Wärmestromes (30 kW/m2) abweichen. Dieses Verhalten ist wahrscheinlich durch die extrem kurzen zündverzugszeiten verursacht (< 10 s) bei solchen hohen Wärmestromes für diese Art von flüchtigen Brennstoff. Frische Grane, ähnlich wie andere frische Rohöle, enthält einen hohen Anteil an flüchtigen Bestandteilen, die sehr schnell unter hohen Vorfall Wärmestromes entzünden. Eine der Annahmen, dass zugrunde liegende GL. (2), die die Zeit braucht es für die brennbaren Gase verdampfen aus dem Kraftstoff zu mischen mit Sauerstoff und der Funken Zünder zu erreichen ist vernachlässigbar33. Mit Zündung Delay-Zeiten von weniger als 10 Sekunden wird diese Mischzeit, die voraussichtlich in der Größenordnung von wenigen Sekunden liegen, jedoch einen bedeutenden Beitrag zur Zündung-Delay-Zeit. Gleichung (2) gilt dann nicht mehr mit diesen kurzen zündverzugszeiten, und daher die Daten von der lineare Trendlinie abweicht. Wenn die Entflammbarkeit von sehr volatil Rohöle zu studieren, sollte dieses Verhalten damit berücksichtigt werden wenn die Zündung Verzögerung Zeitdaten zu analysieren.

Abbildung 8 zeigt die Hitze freisetzungsraten als Funktion der Zeit für ein frisches, leichtes Rohöl und eine emulgierte leichtes Rohöl (zubereitet nach Schritte 2 und 3). Die Hitze freisetzungsraten sind mit dem O2, CO2und CO Konzentrationsmessungen von Gasanalysator (Schritt 7) gemäß Gleichung (26) aus Janssens34berechnet. Sehen Sie das Zusatzdokument für weitere Details dieser Berechnungen. Das frische Rohöl zeigt eine typische Hitze freisetzungsprofil Rate von einer langsam abnehmenden Wärme Freisetzungsrate im Laufe der Zeit, die repräsentativ für alle Rohöle, die kein Wasser enthalten. Das emulgierte Rohöl zeigt ein gutes Beispiel für die Brisanz des Phänomens Boilover mit einer Wärme-Freisetzungsrate, die rasch bis zu fünfmal höher als die reguläre brennenden Phase vor dem Boilover Faktor erhöht. Boilovers sind sehr unregelmäßig Phänomene, und die Intensität, Dauer und Zeitpunkt des Auftretens hängen von der Stabilität und der Volumenanteil des Wassers im Inneren des Rohöls.

Abbildung 9 zeigt die brennende Effizienz und Brenngeschwindigkeit in Abhängigkeit von der einfallenden Wärmestrom für ein frisches, leichtes Rohöl und verdampfte Schweröl mit Verlusten von 7 Gew.-%. Die Brenngeschwindigkeit und brennende Effizienz steigern mit zunehmender Vorfall Wärmestrom für beide Arten von Rohöl. Bei schwacher Hitze Fluten zeigt die brennende Effizienz einen signifikanten Unterschied zwischen den frischen leichtes Rohöl und schweres verdampften Rohöl. Bei höheren Wärmestromes konvergieren die brennenden Wirkungsgrade für diese Öle auf ähnliche Werte, das ist typisches Verhalten für alle Arten von frischen und verwitterte Rohöl. Die Brenngeschwindigkeit zeigt keine dieser konvergierenden Trend für verschiedene Öle, weil die Brenndauer ändert sich auch in Abhängigkeit von der einfallenden Wärmestrom, die für jede Ölsorte unterschiedlich sein können. Für Rohöle, die Wasser enthalten sollte der Wasser-Anteil grundsätzlich nicht berücksichtigt werden bei der Berechnung der brennenden Effizienz und die Brenngeschwindigkeit weil es einem nicht brennbaren Material ist. Jedoch das Wasser verdampft bei der Verbrennung und das Auftreten von Boilover weiter erschwert brennende Effizienz und brennende Rate Schätzungen, da es Tröpfchen Öl und Wasser aus dem Kraftstoff treibt. So emulgierte Rohöle kann so angezeigt werden Abweichungen von den Daten, die zum Beispiel in Abbildung 9gezeigt und sollte darauf geachtet werden bei der Analyse der brennenden Effizienz und Brennergebnisse Rate der Rohöle, die Wasser enthalten.

Abbildung 10 zeigt die Oberflächentemperatur der beiden Thermoelemente an der Kraftstoff-Oberfläche als Funktion der Zeit für eine verdampfte leichtes Rohöl mit Verlusten von 20 Gew.-% im COFA Setup (Schritt 8, Abbildung 4). Das Ergebnis zeigt einen klaren Anstieg der Temperatur nach 178 s. Direkt vor diesem Moment ist die Oberflächentemperatur des Rohöls 129 ° C gemessen an beiden Thermoelemente ist die Oberflächentemperatur auf Zündung. In Kombination mit der Zündung Verzögerung Zeit Ergebnisse für dieses Öl (Schritt 7) gl. (2) dann lässt sich die thermische Trägheit für das Öl zu berechnen. Tabelle 1 zeigt die thermische Trägheit Werte für diese verdampfte leichtes Rohöl anhand ihrer Oberflächentemperatur auf Zündung bei 129 ° C und die zündverzugszeiten in Abhängigkeit von der einfallenden Wärmestrom. Wu, Et al. 19 festgestellt, dass die Aufnahmefähigkeit nicht auf Einheit für Rohöle festgelegt werden und dieser Begriff wurde somit in die thermische trägheitsberechnungen einbezogen. Literatur-Werte der thermischen Trägheit für Rohöle zu Vergleichszwecken finden Sie in Wu, Et Al. 19 und Ranellone, Et Al. 20

Figure 1
Abbildung 1 : Schaltpläne des Setups COFA. Die Schaltpläne enthalten eine detaillierte Ansicht der Pyrex-Glas-Zylinder auf seinem Stand (links), eine Draufsicht des COFA (Mitte) und ein Kreuz-Schnittansicht das vollständige Setup (rechts). Darüber hinaus zeigen eine Reihe von drei Nahaufnahmen (a-c) der Füllvorgang der COFA, das Protokoll Schritte 4.1 (a), 4,4 (b) und 4,5 (c) entspricht. Das COFA Setup wird in Schritt 4 verwendet, um die Kalibrierpunkte der brennenden Effizienz und Brenngeschwindigkeit von Rohöl für die Kegel-Setup zu bestimmen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2 : Volle schematische Übersicht über die Kegel-Setup (nicht maßstabsgetreu). Der Aufbau besteht aus einer Konus-Heizung mit einem Steuergerät, eine maßgeschneiderte Kegel Probenhalter, Peristaltische Pumpe und Wasserkühlung Reservoir und eine Dunstabzugshaube mit einem Gas-Analyzer. Die Schaltpläne verfügen zudem über eine Nahaufnahme der Thermoelement-Platzierung in den Wasser-Rohren (Schritt 5.1). Dieses Setup ist in Schritt 7 verwendet, um die Brennbarkeit der Rohöle zu studieren. Beachten Sie, dass es keinen direkter Kontakt zwischen Öl und Kühlwasser in diesem Setup gibt, wie sie durch die Metallhalter getrennt werden. In Abbildung 3ist der Kegel Probenhalter detailliert erläutert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3 : Detaillierte Querschnitt-schematische Darstellung der kreisförmigen Probenhalter des Kegels Setups. Die Metallkanten verhindert, dass das Öl überläuft auf Zündung und sind abgewinkelt 30° aus der Ölpest Re Strahlung zu minimieren. Dieser Kegel Probenhalter wird in Schritt 7 verwendet, um die Brennbarkeit der Rohöle zu studieren. Beachten Sie, dass es keinen direkter Kontakt zwischen Öl und Kühlwasser in diesem Setup gibt, wie sie durch die Metallhalter getrennt werden. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4 : Schaltpläne von der COFA setup für studieren die Oberflächentemperatur von Rohöl auf Zündung. Die Schaltplan zeigt eine Ansicht von obere (links) und Querschnittansicht (rechts) und das Setup umfasst Infrarotstrahler (IR), ein Funken Zünder und einen Satz von drei Thermoelemente zur Messung der Oberflächentemperatur der Ölpest (Schritt 8). Weitere Details der COFA Setup sind in Abbildung 1dargestellt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 5
Abbildung 5 : Verdunstungsverluste ein leichtes Rohöl (DUC) als Funktion der Zeit. Die Daten wurden mit der in Schritt 2 beschriebenen Luft sprudelnden Methode und zeigen deutlich eine reduzierte Verdunstungsrate nach dem ersten Tag (19 Uhr).

Figure 6
Abbildung 6 : Zündung Verzögerung Zeit Resultate als Funktion des Vorfalls Serie Flussmittel für ein frisches und verdampft (Verlust von 7 Gew.-%) schweres Rohöl (Grane). Diese Daten wurden mit dem Kegel-Setup (Abbildung 2) gemäß dem Protokoll in Schritt 7 erhalten. Die vertikale Asymptoten zeigen kritische Wärmestromdichte (4 und 7 kW/m2) im oberen Bereich 1 kW/m2 . Die Fehlerbalken zeigen vielfältige Daten basierend auf 2-3 Versuche.

Figure 7
Abbildung 7 : Zündung Verzögerung Zeit Resultate als Funktion des Vorfalls Serie Flussmittel für ein frisches und verdampft (Verlust von 7 Gew.-%) schweres Rohöl (Grane). Diese Daten wurden mit Hilfe der Kegel-Setup (Abbildung 2), gemäß dem Protokoll in Schritt 7, und verarbeitet mit GL. (2) erhalten. Die Ergebnisse zeigen, dass die verdampfte Grane eine höhere thermische Trägheit als frische Grane hat, wie erwartet. Das Diagramm zeigt außerdem, wie, für flüchtige Rohöle bei hohen Vorfall Wärmestromes, sehr kurzen Zündverzug Male (< 10 s) kann die lineare Trendlinie abweichen. Die Fehlerbalken zeigen vielfältige Daten basierend auf 2-3 Versuche.

Figure 8
Abbildung 8 : Wärme Freisetzungsrate als Funktion der Zeit für ein leichtes frisches Rohöl und eine emulgierte leichtes Rohöl mit verdampft Verluste von 40 Gew.-% und 40 Vol % wasserhaltige. Die Daten stammen aus dem Kegel-Setup (Abbildung 2) durch die Verarbeitung der O2, CO2und CO Konzentrationsmessungen von Gasanalysator (Schritt 7) gemäß Gleichung (26) aus Janssens34. Das frische Rohöl zeigt eine regelmäßige Hitze Rate freisetzungsprofil für Rohöle ohne Wasser. Emulgierte leichte Rohöl führte zu einer Boilover am Ende der Verbrennung und seine Wärme freisetzungsprofil gibt Aufschluss über die Intensität der ein Boilover im Vergleich zu einem normalen Erdöl-Brand.

Figure 9
Abbildung 9 : Brennende Leistungsfähigkeit und brennen zu bewerten, als eine Funktion des einfallenden Wärmestroms für ein frisches, leichtes Rohöl (DUC) und eine verdampfte schweres Rohöl mit Verlusten von 7 Gew.-% (Grane 7 %). Die Daten wurden in der Kegel-Setup (Abbildung 2) nach Step 7 und zeigen, wie die brennenden Wirkungsgrade von verschiedenen Rohöl Arten an hohen Vorfall Wärmestromes zusammenlaufen. Alle Datenpunkte hatte ein Maximalfehler von 2,5 % von den gezeigten Durchschnittswerten.

Figure 10
Abbildung 10 : Oberflächentemperatur als Funktion der Zeit für zwei Thermoelemente während eines Experiments der Zündung in der COFA mit einer verdampften leichtes Rohöl mit Verlusten von 20 Gew.-%. Die Daten wurden in das COFA Setup (Abbildung 4) gemäß dem Protokoll in Schritt 8 erhalten. Der plötzliche Anstieg der Temperatur nach 178 s zeigt den Moment der Zündung. Die Temperatur direkt vor diese plötzlichen Temperaturschwankungen Spitze zeigt die Oberflächentemperatur auf Zündung.

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

Tabelle 1: zündverzugszeiten und entsprechende thermische Trägheit als Funktion des Vorfalls Erhitzen Flussmittel für eine verdampfte leichtes Rohöl mit Verlusten von 20 Gew.-%. Die thermische Trägheit wird mit GL. (2) anhand der Zündung Verzögerung Zeitdaten erhalten Sie in Schritt 7 und die Oberflächentemperatur auf Zündung Daten in Schritt 8 berechnet.

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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 Laborumgebung durchgeführt werden können. Die resultierende verwitterten Rohöle sind dann funktional für die Zwecke der Brennbarkeit und brennende Effizienz Studien in diesem Protokoll, wie im Abschnitt Vertreter Ergebnisse gezeigt.

Eine der wichtigsten Einschränkungen des Protokolls ist die Kalibrierung der Wasserkühlung für den Kegel-Setup (Schritt 5). Das Problem ist, dass es keine Referenzdaten für in Situ brennenden Feldversuche im selben Maßstab und unter ähnlichen Bedingungen wie die Kegel-Setup zur Verfügung. Darüber hinaus gibt es keine leicht verfügbare Wärme-Transfer-Modelle, die in der Praxis verwendet werden können, um zu bestimmen, den Wärmehaushalt zwischen einem brennenden Rohöl und seine fließenden-Sub-Wasserschicht. Die Wasserkühlung Kalibrierung daher muss anhand experimenteller Daten aus dem COFA Setup (Schritt 4). Wie im Protokoll erwähnt, kann die Kalibrierung dann entweder einzelne Öle oder für jedes Öl separat durchgeführt werden. Ohne Referenzdaten oder eine geeignete wärmeübertragungsmodell ist es unmöglich zu wissen, welche dieser Methoden, sofern vorhanden, eine korrekte Darstellung der Wärmehaushalt für in Situ Verbrennung von Erdöl auf dem Wasser gibt.

Der Wärmehaushalt im Kegel-Setup wird weiter erschwert durch einen externen Wärmestrom, die auch die Kühlleistung des Wassers beeinträchtigen können, die durch die Kegel-Probenhalter fließt das Rohöl zu unterwerfen. Während der Verbrennung von Erdöl unter die Kegel-Heizung erhöht das abfließende Wasser Temperatur im Laufe der Zeit, den Vorfall Wärmestrom der Umfang davon abhängt. Bei der maximalen Vorfall Wärmestrom von 50 kW/m2wurde das Wasser auch zum Kochen gebracht werden, beobachtet, als Dampf aus dem Wasserauslass kam. Es ist derzeit unklar, in welchem Umfang das Kühlwasser direkt durch die Kegel-Heizung (und nicht das brennende Öl) erhitzt wird und ob es einen signifikanten Einfluss auf die Ergebnisse hat. Nur durch eine umfassende empirische experimentelle Studie wäre es möglich, die Wasserkühlung Kalibrierung für alle getesteten Vorfall Wärmestromes und für jede getestete Öltyp zu optimieren. Trotz dieser Probleme verbessert Umsetzung der Wasserkühlung im Kegel-Setup ohne Zweifel die Fähigkeit des Kegel-Setups in Situ brennenden Bedingungen darstellen. Vorversuchen mit einem Probenhalter ohne Wasserkühlung versagt, die niedrige brennende Wirkungsgrade zu reproduzieren in der COFA beobachtet und konnte nicht genutzt werden, um darzustellen, die in Situ Verbrennung von Erdöl. Die diskutierte Einschränkung ist somit nicht darum, ob die aktuelle Kegel Setup stellt in Situ brennenden Bedingungen von Rohöl auf Wasser, sondern in welchem Umfang richtig diese Bedingungen stellt. Soweit uns bekannt ist, befindet sich die vorgestellten Laborverfahren, trotz dieser Einschränkung der realistischsten Methode zur Untersuchung der Brennbarkeit und die brennende Effizienz in Situ Verbrennung von Erdöl auf dem Wasser.

Ein entscheidender Schritt im Protokoll ist die Messung der Oberflächentemperatur auf Zündung im COFA Setup (Schritt 8). Es ist sehr wichtig, dass wenn der Propeller aktiviert ist, die Oberfläche des Ölteppichs im Pyrex-Glas-Zylinder ist so still, wie es sein kann. Wenn die Öl-Oberfläche zu viel in Bewegung (vertikal), sollte die Lage und den Fluss des Propellers (Schritt 4) angepasst werden, um die Turbulenzen an der Öl-Oberfläche zu verringern. Ohne eine noch Öl-Oberfläche wird es sehr schwierig, genau zu messen die Oberflächentemperatur bei Zündung in Schritt 8. Die Wahl der IR-Heizungen ist auch entscheidend für den Erfolg dieses Schrittes. Bei der Entwicklung dieses Protokolls wurde festgestellt, dass die IR-Heizungen haben eine sehr hohe Strahlung ausgegeben, wobei Sie so kompakt wie möglich und haben ein Kühlsystem, das die Temperaturmessungen nicht stört. Es ist daher wichtig, sorgfältig eine Reihe von IR-Heizungen für das COFA Setup wählen in Abbildung 4. Im Idealfall müssen die IR-Heizungen können zu einem Wärmestrom von mindestens 15 kW/m2 bei viel weiter Weg als 5 cm aus Pyrex-Glas-Zylinder Abstände. Dies würde erlauben, die IR-Heizungen verwenden, während das Rohöl brennt. Die brennende Effizienz der Rohöle kann dann in Abhängigkeit von einer einfallenden Wärmefluss in einem Versuchsaufbau getestet werden, die besser in Situ brennenden Bedingungen darstellt.

Weiter konnten Verbesserungen zur Darstellung der in Situ brennenden Bedingungen während der Brennbarkeit und brennende Effizienz Experimente durch verschiedene Änderungen oder Ergänzungen der COFA und Kegel-Setups vorgenommen werden. Derzeit sind die Experimente unter sehr ruhige Umgebungsbedingungen. Es ist gezeigt worden, durch in Situ brennenden Feldstudien, jedoch, dass Wind und Wellen können auch Auswirkungen auf die Entflammbarkeit von Rohöl5,21,36,37. Um solche Bedingungen zu simulieren, könnte der COFA zum Beispiel mit einer Welle ausgestattet und Fans, die einen Wind über der Wasseroberfläche zu erstellen ausgestattet werden. Kältere Klimazonen können simuliert werden, mithilfe kälter Kühlmedium im Kegel-Setup, ähnlich wie Ranellone, Et Al. 20, oder durch Zugabe von Eis zu Wasserkörper in der COFA. Schließlich kann die ursprüngliche Dicke der Rohöl-Slicks in den Experimenten variiert werden, weil dies auch ein Parameter bekannt, die Entflammbarkeit und brennende Effizienz der Rohöle5,22zu beeinflussen ist.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Die Autoren möchten danke dem dänischen Rat für unabhängige Forschung zur Finanzierung des Projekts (Grant DDF - 1335-00282). COWIfonden finanziert den Bau von Rohöl Entflammbarkeit Apparat und Gasanalysator, einschließlich der Kanal einfügen. Maersk Oil und Statoil bereitgestellt die Rohöle, die für die repräsentativen Ergebnisse verwendet wurden. Keiner der Sponsoren wurden in das Protokoll oder die Ergebnisse dieser Arbeit beteiligt. Die Autoren möchten auch Ulises Rojas Alva danken für Unterstützung mit dem Konstruieren der modifizierten Kegel Probenhalter.

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

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Engineering Ausgabe 135 In Situ brennen Rohöl Verwitterung Wärmeübertragung Brennbarkeit brennende Effizienz
Experimentelle Verfahren für Untersuchungen im Labor des Brennens <em>In Situ</em> : Entflammbarkeit und brennen Effizienz von Rohöl
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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).

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