Procedura sperimentale per studi di laboratorio di In Situ di masterizzazione: infiammabilità ed efficienza di combustione del petrolio greggio

Summary

Qui, presentiamo un protocollo per studiare simultaneamente l’infiammabilità e la efficienza combustiva di greggio fresco e stagionato in condizioni che simulano in situ operazioni sul mare di masterizzazione.

Abstract

Viene presentato un nuovo metodo per lo studio simultaneo di infiammabilità ed efficienza combustiva di fresco e stagionato greggio attraverso due installazioni di laboratorio sperimentale. Gli esperimenti sono facilmente ripetibili rispetto agli esperimenti su scala operativa (piscina diametro ≥ 2 m), mentre ancora con abbastanza realistico in situ masterizzazione condizioni di greggio sull’acqua. Condizioni sperimentali includono un sub-livello di acqua fluente che raffredda la chiazza di petrolio e un flusso di calore esterno (fino a 50 kW/m²) che simula il feedback di calore superiore alla superficie del combustibile in scala operativa greggio piscina incendi. Queste condizioni consentono uno studio di laboratorio controllate dell’efficienza combustiva di incendi di piscina di petrolio greggio che sono equivalenti a esperimenti su scala operativa. Il metodo fornisce anche dati quantitativi sui requisiti per bruciare oli greggi in termini di potenza termica critico, tempo di ritardo di accensione in funzione della potenza termica incidente, la temperatura in superficie dopo l’accensione e l’inerzia termica. Questo tipo di dati può essere utilizzato per determinare la forza necessaria e la durata di una sorgente di accensione per accendere un certo tipo di petrolio greggio fresco o stagionato. Il limite principale del metodo è che l’effetto di raffreddamento dell’acqua che scorre è sub-strato il petrolio brucia come una funzione del flusso di calore esterno completamente non è stata quantificata. Risultati sperimentali hanno mostrato chiaramente che il sub-livello di acqua fluente migliorare questa configurazione è come rappresentativi delle condizioni di combustione in situ , ma in che misura questa rappresentazione accurata è attualmente incerto. Il metodo presenta tuttavia il più realistico in situ masterizzazione condizioni di laboratorio attualmente disponibili per studiare simultaneamente l’infiammabilità e la masterizzazione efficienza del greggio sull’acqua.

Introduction

In situ burning del greggio versato sull’acqua è un metodo di risposta di fuoriuscita di olio marino che rimuove i residui di olio dalla superficie dell’acqua bruciarlo e convertirlo alla fuliggine e prodotti gassosi della combustione. Questo metodo di risposta è stato applicato con successo durante la Exxon Valdez¹ e sversamenti di petrolio Deepwater Horizon² e viene regolarmente citato come un potenziale metodo di risposta di fuoriuscita di olio per l’Artico^{3,4,5 ,6}. Due dei parametri chiave che determinano se in situ combustione di olio avrà successo come un metodo di risposta di caduta sono l’infiammabilità e l’efficienza di combustione dell’olio. Il primo parametro, infiammabilità, descrive come facilmente un combustibile può essere bruciato e può portare alla diffusione della fiamma sopra la superficie del carburante per provocare un incendio pienamente sviluppato. Il secondo parametro, masterizzazione efficienza, esprime la quantità di olio (in % wt) efficacemente rimosso dalla superficie dell’acqua per il fuoco. È così rilevante per la comprensione, l’infiammabilità ed efficienza combustiva previsto di diversi oli greggi sotto in situ le condizioni di combustione.

L’accensione dell’olio slick sull’acqua per in situ gli scopi burning comunemente è affrontato come un problema pratico, con discussioni qualitative accensione sistemi^5,7,8,9. L’approccio pratico all’accensione di versato olio come un problema di binario ed etichettatura oli o “infiammabili” o “non infiammabile” (ad es. Brandvik, Fritt-Rasmussen, et al. ¹⁰) non è, tuttavia, corretto da un punto di vista fondamentale. In teoria, qualsiasi combustibile possa essere bruciato dato una fonte d’ignizione appropriato. È quindi rilevante per quantificare i requisiti di accensione per una vasta gamma di tipi diversi di petrolio greggio per comprendere meglio le proprietà di un greggio che sarebbe etichettarlo come “non infiammabile”. Per questo scopo, il metodo sviluppato può essere utilizzato per studiare il tempo di ritardo di accensione di un olio in funzione della potenza termica incidente, il flusso di calore critico dell’olio e la sua inerzia termica, cioè come difficile è per riscaldare l’olio.

In uno studio precedente, abbiamo postulato che il parametro principale che governa l’efficienza di combustione è il feedback di calore a superficie combustibile¹¹, che è una funzione del diametro della piscina. La teoria spiega la dipendenza di dimensioni piscina apparente dell’efficienza combustiva sulla base di studi di laboratorio segnalazione basso bruciante efficienze (32-80%)^8,12,13 e studi su larga scala (piscina diametro ≥ 2 m) segnalazione di masterizzazione ad alta efficienza (90-99%)^14,15,16. Il metodo illustrato nel presente documento è stato progettato per testare la teoria proposta. Sottoponendo gli esperimenti di laboratorio su piccola scala un flusso costante di calore esterno, il feedback di calore superiore per incendi di grandi dimensioni piscina possa essere simulato in condizioni di laboratorio controllate. Come tale, il metodo sviluppato permette di studiare l’efficienza combustiva efficacemente in funzione del diametro variando il flusso di calore esterne.

Oltre a un flusso di calore esterno per simulare la scala più grande di in situ bruciando le operazioni, la funzionalità messe a punto sperimentali raffreddamento della marea nera di un flusso di acqua freddo, che simula l’effetto di raffreddamento del mare attuale. Il metodo discusso è inoltre compatibile con oli greggi sia freschi che stagionati. L’erosione del greggio viene descritto il processo di fisico e chimico che influenzano un greggio, una volta che esso viene versato sull’acqua, come ad esempio le perdite dei suoi componenti volatili e miscelazione con acqua alle emulsioni acqua-olio di forma (ad es., AMAP¹⁷). Evaporazione ed emulsificazione sono due dei processi atmosferici principali che influenzano l’infiammabilità dei petroli greggi¹⁸ e protocolli per la simulazione di questi processi di alterazione sono pertanto inclusi nel metodo discusso.

Qui, presentiamo un metodo di laboratorio romanzo che determina l’infiammabilità e la efficienza combustiva di petrolio greggio in condizioni che simulano in situ operazioni sul mare di masterizzazione. Gli studi precedenti sull’infiammabilità ed efficienza combustiva degli oli greggi in primo piano sia paragonabili e diversi metodi. L’infiammabilità degli oli greggi freschi e stagionati in funzione di un flusso di calore esterno è stato studiato su acqua¹⁹ e sotto temperature artiche²⁰. Studi di efficienza di combustione in genere concentrarsi su diversi tipi di fresco e weathered oli greggi e le condizioni ambientali a scala fissa (ad es., Fritt-Rasmussen, et al. ⁸Bech, Sveum, et al. ²¹). un recente studio sulla combustione di oli contenuti chimici pastori è, alla conoscenza degli autori, il primo a studiare l’efficienza combustiva per piccolo, intermedio, e su larga scala esperimenti in simili circostanze¹³. Esperimenti su larga scala sono, tuttavia, non è prontamente disponibile per studi parametrici dovuto la vasta quantità di tempo e risorse necessarie per lo svolgimento di tali esperimenti. Il vantaggio principale del metodo presentato sopra gli studi menzionati in precedenza è che esso permette contemporaneamente studiare entrambi l’infiammabilità e la masterizzazione efficienza del petrolio greggio in condizioni semi-realistiche. La combinazione di studiare questi due parametri per oli greggi in funzione di entrambi i tipi differenti dell’olio e il diametro della piscina (simulato) attraverso esperimenti facilmente ripetibili era precedentemente inattuabile nella pratica.

Protocol

Questo protocollo si avvale di due differenti configurazioni sperimentali utilizzati nei passaggi 4-8, come mostrato nella schema accompagna. La prima configurazione è il petrolio greggio infiammabilità apparato (COFA) (Figura 1 e Figura 4), che è un 1.0 × 1.0 × 0,50 m3 bacino di acqua in metallo progettato per condurre su piccola scala in situ masterizzazione di esperimenti di petrolio greggio, come dimostrato per esempio a Van …

Representative Results

La figura 5 Mostra la curva di evaporazione di un petrolio greggio leggero che era evaporato di più giorni ad una perdita del 30% in peso utilizzando il metodo descritto nel passaggio 2. La figura mostra chiaramente che dopo il primo giorno (ore 19) degli agenti atmosferici per evaporazione, il tasso di evaporazione è ridotta significativamente, che permette per pause, come indicato nel protocollo. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page="1…

Discussion

I due metodi di agenti atmosferici discussi in questa carta sono un’approssimazione relativamente semplice dei processi atmosferici che un olio versato sull’acqua è sottoposto a¹⁷. Altri metodi più sofisticati agli agenti atmosferici è utilizzabile anche per fornire campioni di petrolio greggio esposto all’aria, come il flume circolo descritto da Brandvik e Faksness³⁵. Il vantaggio dei metodi presentati è che richiedono un’attrezzatura semplice e può essere facilmente …

Materials

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