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Engineering

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

Published: May 1, 2018 doi: 10.3791/57307

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

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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'Artico3,4,5 ,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 sistemi5,7,8,9. 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.

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Protocol

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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 Gelderen, Brogaard, et al. 22 la seconda installazione è un cono riscaldatore23 con un dispositivo di accensione di scintilla che dispone di un supporto su misura campione e un analizzatore di gas che misura l'O2, CO2, e le concentrazioni di CO nel gas di scarico del condotto24 (Figura 2 e Figura 3). Le specifiche tecniche di queste configurazioni sono descritte dettagliatamente nel documento complementare, che comprende anche fotografie delle configurazioni aggiuntive. Se non specificato diversamente, delle misurazioni di dati (ad esempio, temperature, flussi di calore o le concentrazioni di gas) sono misurate digitalmente attraverso un multiplexer e data logger. I data logger sono operati con un programma di acquisizione di dati digitali. Nel protocollo, la frase "avviare il data logger" comprende tutte le azioni secondo le istruzioni del programma, come previsto dal costruttore, che sono necessari per avviare l'acquisizione dei dati.

1. generale movimentazione del petrolio greggio

  1. Per ogni olio fresco che sarà studiato, prelevare un campione da 5 mL e misurare la densità e la viscosità a 25 ° C in un viscosimetro. Conservare il resto dell'olio a 5-10 ° C in una bottiglia di vetro chiuso fino al successivo utilizzo.
    Attenzione: Fresco il petrolio greggio è altamente infiammabile e sia petrolio greggio ed i relativi vapori pongono una moderata a rischio per la salute alta. Inoltre è difficile da pulire dalla pelle o gli occhi con i prodotti chimici pericolosi come il sapone. Indossare occhiali e guanti durante la manipolazione di petrolio greggio e lavorare in un'area ben ventilata.
  2. All'inizio di ogni sessione di test, prendere gli oli di greggio che sarà testati fuori il deposito raffreddato (5-10 ° C). Agitare a mano ogni contenitore di olio per 1-2 min e far loro calore fino a temperatura ambiente prima conducendo esperimenti. Restituire le greggi per lo stoccaggio refrigerato tra sessioni di test.
  3. Pulire le superfici accidentalmente contaminate con petrolio greggio utilizzando un solvente apolare volatile (e.g.,n-eptano).

2. evaporativo agli agenti atmosferici di petrolio greggio da bolle d'aria sotto pressione attraverso l'olio

Nota: Questo passaggio si basa su Mackay e Stiver25 e Buist, Potter, et al. 26

  1. Praticare un numero di fori (ad esempio, sei con un diametro (D) di 5 mm) distribuito uniformemente nel coperchio di un contenitore di plastica di 5-10 L e praticare un foro singolo (ad es.,D = 8-10 mm) in uno dei lati del contenitore vicino suo bordo superiore.
  2. Rendere un o-ring (circa D = 20 cm) con un allegato aprire connessione di tubi di plastica con un diametro interno (I.D.) di 4-6 mm e un numero di fori di trapano (ad es., sei con D = 1 mm) uniformemente distribuiti lungo un lato del giunto circolare.
    Nota: Provare a compensare la posizione verticale dei fori nel coperchio dai fori l'o-ring per ridurre al minimo la quantità di petrolio greggio essere soffiato fuori dal contenitore.
  3. Collegare l'o-ring per un tubo di plastica (per esempio, I.D. 4-8 mm) che passa attraverso il foro laterale del contenitore plastico. Questo tubo sarà collegato ad un sistema di aria pressurizzata con una valvola di regolazione e un manometro.
  4. Pesare il coperchio e il contenitore di plastica con l'o-ring in plastica separatamente e registrare il loro peso.
  5. Pesano 2-4 L di petrolio greggio (in base alla sua densità) nel contenitore e registrare il peso.
  6. Posizionare il contenitore sotto una cappa aspirante e collegare l'o-ring per il sistema di aria pressurizzata. Bolla di aria attraverso l'olio ad una pressione che è più in alto possibile (ad es., 200 kPa) senza dilapidare olio attraverso i fori del coperchio del contenitore.
  7. Pesare l'olio all'inizio e alla fine di ogni giornata di lavoro per monitorare quando è raggiunto lo stato desiderato evaporativo agli agenti atmosferici (in wt % perdita) (per esempio 20 wt % perso rispetto al peso iniziale). Questo può richiedere da un giorno a più di una settimana di bubbling di continuo, a seconda della pressione di aria e tipo di olio. Ogni misura di peso intermedio viene utilizzato per stabilire una curva di evaporazione in funzione del tempo, che aiuta con la previsione del tempo di evaporazione necessaria per raggiungere lo stato desiderato evaporativo agli agenti atmosferici.
    Nota: Dopo il primo giorno, il petrolio greggio può in genere essere lasciato nella cappa per diversi giorni (ad es. durante il fine settimana) senza perdere una quantità significativa di massa quando è chiuso l'aria pressurizzata.
  8. Una volta terminata l'evaporazione del greggio, prendere un campione di 5 mL di olio e misurare la densità e la viscosità a 25 ° C in un viscosimetro. Conservare il resto dell'olio a 5-10 ° C in una bottiglia di vetro chiuso per un ulteriore uso. Pulire il contenitore, il coperchio e o-ring con un solvente non polare volatile per eliminare eventuali residui di petrolio greggio.

3. emulsificazione del greggio utilizzando un Rotary tavola vibrante

Nota: Questa parte del protocollo è stata modificata da Daling, M., et al. 27

  1. Aggiungere un totale di 900 mL di petrolio greggio e la miscela di acqua dolce o salata a una bottiglia di vetro 1L, con la quantità d'acqua corrispondente il desiderato vol % nell'emulsione. Ad esempio, un'emulsione con 40 vol % contenuto di acqua è costituito da 540 mL di petrolio greggio e 360 mL di acqua. Si consiglia di utilizzare il petrolio greggio evaporato, piuttosto che fresco greggio, per presentare con maggiore precisione le intemperie i processi di petrolio fuoriuscito in mare aperto e creare emulsioni più stabili.
    Nota: È importante che la bottiglia non è completamente riempita così che c'è spazio libero disponibile per la miscelazione turbolenta di olio e acqua.
  2. Agitare la miscela acqua-olio a mano per 1-2 min. Quindi posizionare la bottiglia di vetro su una tavola vibrante rotante e mescolare la miscela acqua-olio a 175 rpm per 20 h a temperatura ambiente.
    Nota: Al fine di evitare problemi con la separazione del livello dell'acqua dall'emulsione, condurre esperimenti con l'emulsione sullo stesso giorno quando viene completato il periodo di agitazione di 20 h.
  3. Prelevare un campione di 5 mL di emulsione dopo le h 20 periodo di agitazione e misurare la densità e la viscosità a 25 ° C in un viscosimetro.
  4. Se l'emulsione è instabili (Vedi sotto), riposizionare l'emulsione sul rotary tavola vibrante e agitare costantemente l'emulsione a 175 giri fra gli esperimenti. All'inizio di ciascun esperimento, arrestare manualmente il rotary tavola vibrante, prendere la quantità necessaria di emulsione (passo 7,5) e poi ritornare il rotary tavola vibrante. Una volta che tutti gli esperimenti sono stati condotti con l'emulsione, interrompere il rotary tavola vibrante e memorizzare l'emulsione in raffreddato (5-10 ° C) archiviazione.
  5. Se l'emulsione è stabile, rimuovere l'emulsione da tavola vibrante rotante e lasciarlo riposare a temperatura ambiente. Agitare l'emulsione energicamente per 1-2 min a mano prima di prendere la quantità necessaria di olio per ogni esperimento. Una volta che tutti gli esperimenti sono stati condotti con l'emulsione, memorizzarlo in deposito (5-10 ° C) raffreddato.
    Nota: Ai fini del presente protocollo, emulsioni instabili sono definiti come emulsioni che formano uno strato di acqua chiaramente visibile con parecchie ore, cioè prima della fine di una giornata lavorativa tipica.

4. riferimento in Situ masterizzazione esperimenti in COFA (Figura 1) per la calibrazione di raffreddamento ad acqua nel Setup del cono

  1. Mettete un cilindro di vetro Pyrex alto 5 cm e un'identita ' di 16,3 cm (diametro esterno di 16,9 cm) su un supporto, con un'altezza complessiva di 35-45 centimetri, al centro della COFA. La forma del titolare è irrilevante, purché permette un libero flusso di acqua sotto l'area coperta dal cilindro di vetro Pyrex. Riempire la COFA con acqua fresca (340-440 L) in modo che il livello dell'acqua è 1 cm sotto il bordo del cilindro di vetro Pyrex.
  2. Posto un'elica su uno dei lati della COFA direttamente rivolto verso il cilindro di vetro Pyrex. Girare l'elica e regolare l'altezza verticale e flusso di modo che le onde sono a malapena osservabili nell'acqua all'interno del cilindro di vetro Pyrex. Registrare l'altezza verticale e l'assetto di flusso (ad es., 1.000 L/h) e disattivare l'elica prima di continuare il protocollo.
    Nota: L'elica viene utilizzato per creare una corrente nel corpo dell'acqua che raffredda efficacemente il livello di acqua sotto il masterizzazione greggio al fine di prevenire il fenomeno di boilover28,29. Il flusso inizialmente impostato e l'altezza verticale dell'elica non può causare un raffreddamento sufficiente dello sub-strato acqua, e un boilover quindi ancora si verifica.
    Attenzione: Un boilover è uno stato esplosivo brucia con una fiamma significativamente aumentata altezza, la velocità di combustione e tasso di rilascio di calore durante la quale olio goccioline sono espulsi dal fuoco29,30,31. Assicurarsi che qualsiasi equipaggiamento vulnerabile siano protetto (ad es., con foglio di alluminio) e tenere il personale e le attrezzature ad una distanza appropriata dal fuoco.
  3. Pesare una quantità di petrolio grezzo equivalente a una chiazza di petrolio spessa 5 mm nel cilindro di vetro di Pyrex (vale a dire, sulla base della densità e un volume di 104 mL) in un piatto di alluminio.
  4. Versare l'olio greggio sull'acqua all'interno del cilindro di vetro Pyrex. Fare attenzione a non versare olio fuori il fondo del cilindro versando l'olio troppo veloce. Pesare il piatto di alluminio nuovamente e registrare il peso effettivo del greggio riversato all'interno del cilindro di vetro Pyrex.
  5. Aggiungere lentamente acqua la COFA fino a quando la superficie della marea nera è 1-2 mm sotto il bordo del cilindro di vetro Pyrex. Questa differenza di altezza è importante per evitare che l'olio fuoriesca dopo l'accensione.
  6. Accendere la cappa di scarico e l'elica. Poi accendere il petrolio greggio utilizzando un cannello butano e misurare il tempo di combustione dal momento dell'accensione al momento dell'estinzione con un cronometro.
  7. Dopo che il fuoco si spegne naturalmente, raccogliere l'olio rimanente sulla superficie dell'acqua (nota come il residuo di ustione) utilizzando pastiglie assorbimento idrofobo con un peso noto. Scuotete le raccolte d'acqua prima di pesare le pastiglie per determinare il peso di residui. L'efficienza di combustione viene quindi calcolata utilizzando EQ. (1) e la velocità di combustione è calcolata dividendo la differenza tra la massa iniziale e la massa del residuo per il tempo di combustione (in secondi).
    Equation 1(1)
  8. In casi dove il fuoco si traduce in un boilover, ripetere il protocollo passaggio 4 di scarico dell'acqua dalla COFA fino a quando la superficie dell'acqua è ancora un centimetro sotto il bordo di cilindro di vetro Pyrex. Pulire i bordi del cilindro di vetro di Pyrex con un solvente volatile, non-polare. Quindi ridurre la distanza verticale tra l'elica e il cilindro di vetro Pyrex e/o aumentare la posizione del flusso dell'elica e ripetere i passaggi di protocollo 4.3 a 4,8.
  9. Nel caso in cui il fuoco non si esaurisce con un boilover, utilizzare l'efficienza combustiva calcolata e la velocità di combustione nel passaggio 4.7 per calibrare l'acqua di raffreddamento nel setup del cono.

5. taratura del raffreddamento ad acqua per l'installazione di cono (Figura 2 e Figura 3).

  1. Puntura di un tubo di plastica flessibile (4 mm di diametro) a un centimetro dalla sua fine con una termocoppia di tipo K spessa 1 mm, in modo che il tallone termocoppia è sospeso liberamente all'interno del tubo. Difficoltà la termocoppia con nastro di politetrafluoroetilene (PTFE) e nastro di alluminio per garantire che la termocoppia non si muova e che non perda acqua dalla puntura. Collegare la termocoppia a un data logger.
    1. Ripetere il passaggio 5.1 per un tubo con un adattatore per tubo in acciaio inox e inserire la termocoppia direttamente sotto il tubo modulare.
  2. Posizionare e fissare il primo tubo di plastica con l'estremità con la termocoppia fino alla parte inferiore del serbatoio raffreddamento possibile. Collegare l'altra estremità del tubo e la presa della pompa peristaltica con una velocità di flusso regolabile.
  3. Collegare un nuovo tubo di plastica alla presa della pompa peristaltica e collegare l'altra estremità di questo tubo di plastica di un adattatore per tubo in acciaio inox. Collegare l'adattatore del tubo ad una valvola a soffietto e collegare la valvola a soffietto al supporto del campione di cono. Assicurarsi che le connessioni non perdano acqua utilizzando nastro in PTFE tra le connessioni quando necessario.
  4. Collegare l'altra estremità del supporto del campione di cono ad una valvola a soffietto, che quindi è collegata all'adattatore del tubo del tubo con una termocoppia sotto la scheda. L'altra estremità di questo tubo è posizionata e fissata nella parte superiore del serbatoio raffreddamento in modo che l'acqua outflowing ritorna al serbatoio di raffreddamento.
    Nota: Assicurarsi che il tubo di aspirazione e tubo di scarico abbia sufficiente distanza spaziale nel serbatoio affinché acqua riscaldata direttamente non viene ricircolata, ma scende a raffreddare nel serbatoio prima del ricircolo.
  5. Posizionare il supporto del campione con i tubi collegati sotto la stufa di cono. Regolare l'altezza del titolare in modo che il bordo esterno è di 23 mm dal fondo della stufa cono. Assicurarsi che i tubi sono di lunghezza sufficiente in modo che il supporto del campione possa essere facilmente collocata sotto la stufa di cono, una volta che il portacampioni contiene il petrolio greggio.
  6. Riempire il serbatoio di raffreddamento con acqua demineralizzata e raffreddare l'acqua ad una temperatura prefissata (ad es.,12 ° C). Aprire le valvole a soffietto e avviare il flusso di acqua attraverso il portacampioni flusso selezionate (ad es., 7 L/h). Agitare il titolare per rimuovere eventuali residui di aria da parte del titolare, in modo che il titolare ottiene completamente riempito d'acqua.
  7. Avviare il data logger e monitorare costantemente la temperatura dell'acqua in entrata e uscita. Fermare la pompa una volta che la temperatura dell'acqua outflowing ha stabilizzato (in genere pochi gradi sopra la temperatura di set serbatoio), chiudere le valvole a soffietto e accendere la cappa di scarico.
  8. Collocare il supporto per esempio su una scala di carico e tarare la bilancia. Aggiungere una quantità di olio per il portacampioni che corrisponde a un chiazza di petrolio spessore di 10 mm (vale a dire, sulla base della densità e un volume di 95 mL). Poi aprire le valvole a soffietto e avviare nuovamente la pompa.
  9. Posizionare il portacampioni con attenzione sotto la stufa di cono e accendere l'olio con un cannello butano. Misurare il tempo di combustione dal momento dell'accensione al momento dell'estinzione con un cronometro.
    Attenzione: Durante la masterizzazione di oli che contengono acqua, naturalmente o a causa di emulsificazione, un boilover può verificarsi durante la combustione (Vedi anche passo 4).
  10. Dopo che il fuoco si spegne, fermare la pompa, chiudere le valvole, scollegare i tubi e posizionare il supporto del campione su scala tarata. Registrare il peso del titolare compreso il residuo di ustione.
  11. Pulire eventuali residui di olio bruciato dal titolare con un solvente non polare volatile. Pesare il titolare pulito nuovamente per determinare il peso del residuo. Quindi calcolare l'efficienza di combustione e la masterizzazione di tempo come descritto al punto 4.7.
  12. Nel caso in cui l'efficienza combustiva e la velocità di combustione corrispondono i risultati del protocollo passaggio 4, il flusso e la temperatura dell'acqua ora sono calibrati e può essere utilizzati nel passaggio seguente protocollo. Nel caso in cui l'efficienza combustiva e la velocità di combustione non corrispondono i risultati del protocollo passaggio 4, scegliere un nuovo serbatoio temperatura e/o il nuovo flusso di conseguenza. Ricollegare i tubi per il portacampioni, aprire le valvole, avviare la pompa, scuotere il titolare per rimuovere tutta l'aria e quindi ripetere i passaggi 5.7-5.12.
    Nota: Potrebbe non essere possibile abbinare sia l'efficienza di combustione e la velocità di combustione. Ai fini del protocollo descritto, efficienza combustiva è più importante e dovrebbe essere abbinato in modo più accurato possibile. Durante il test oli multipli, il flusso e la temperatura dell'acqua può essere calibrati per entrambi un olio, o per ogni olio individualmente. Durante la calibrazione della temperatura dell'acqua e flusso per ogni olio individualmente può simulare l'olio brucia sull'acqua con maggiore precisione, risultati di tempo di ritardo accensione di vari oli (passaggio 6) possono essere più facilmente rispetto a quando usando un fisso temperatura acqua e flusso per ogni esperimento.

6. taratura del cono riscaldatore (Figura 2-3).

  1. Calibrare la correlazione tra la temperatura del riscaldatore cono e calore flusso di output utilizzando un flusso di calore raffreddato ad acqua di gauge con una capienza massima di 100 kW/m2.
    1. Posizionare una pompa da acquario in un secchio e riempire il secchio con acqua fredda di rubinetto, in modo che la pompa sia completamente sommersa.
    2. Collegare la pompa dell'acquario al misuratore di flusso di calore con un tubo di plastica. Collegare un tubo di plastica secondo al misuratore di flusso di calore e fissare l'altra estremità del tubo all'interno del secchio, leggermente sopra la superficie dell'acqua, in modo che acqua che scorre fuori del tubo può essere facilmente osservato. Accendere la pompa e garantire un flusso costante di acqua che scorre attraverso il misuratore di flusso di calore.
    3. Accendere la cappa di scarico e riscaldare il cono a 200 ° C. Posizionare l'indicatore di flusso termico (rivolto verso l'alto) 25 mm sotto il centro del cono e collegare il misuratore di flusso di calore al data logger. Avviare il data logger, aprire le persiane e misurare il flusso di calore per 5-10 minuti fino a quando un flusso di calore stabile lettura viene acquisito, quindi fermare l'acquisizione di dati e chiudere le persiane.
    4. Ripetere il punto 6.1.3 alle temperature di cono di 300, 400, 500, 600, 700, 720, 740, 760, 780 e 800 ° C.
  2. Determinare le temperature di cono che corrispondono ai flussi di calore di 3-50 kW/m2 utilizzando i punti di dati misurati e supponendo una correlazione lineare tra i punti dati.

7. infiammabilità esperimenti di petrolio greggio nel Setup del cono (Figura 2-3)

  1. All'inizio di ogni sessione di prova, controllare con il flusso di calore manometro se la temperatura di cono corrispondente a un flusso di calore di 10 kW/m2 ancora dà la lettura corretta (± 5%). In caso affermativo, procedere con il protocollo. In caso contrario, ripetere il passaggio 6 prima di continuare.
  2. All'inizio di ogni sessione di test, accendere la cappa di scarico, accendere l'analizzatore di gas e calibrare l'analizzatore di gas secondo le specifiche fornite dal fabbricante.
  3. Garantire che quando il portacampioni è posto sotto il cono, c'è una distanza di 23 mm tra la parte inferiore del cono e il bordo esterno del titolare.
  4. Riscaldare il cono ad una temperatura corrispondente a un flusso di calore di 5 kW/m2.
    1. Nel frattempo, raffreddare il serbatoio dell'acqua alla temperatura trovato nel passaggio 5, collegare i tubi dell'acqua al supporto del campione, aprire le valvole e avviare la pompa a flusso trovato nel passaggio 5. Agitare il portacampioni per rimuovere tutta l'aria intrappolata all'interno del supporto. Avviare il data logger e monitorare la temperatura dell'acqua fino a quando la temperatura dell'acqua outflowing ha stabilizzato.
    2. Una volta che il cono sia il portacampioni stabilizzare alle loro rispettive temperature impostate, fermare la pompa, chiudere le valvole del supporto del campione e scollegare i tubi dalle valvole.
  5. Collocare il supporto per esempio su una scala di carico e tarare la bilancia. Aggiungere una quantità di olio a temperatura ambiente il portacampioni che corrisponde a un chiazza di petrolio spessore di 10 mm (vale a dire, sulla base della densità e un volume di 95 mL). Ricollegare i tubi, aprire le valvole a soffietto e avviare nuovamente la pompa.
  6. Avviare il data logger per l'analizzatore di gas per misurare le concentrazioni di CO nel gas di combustione e la temperatura dell'acqua in e out flowing, CO2e O2.
  7. Posizionare il supporto del campione sotto il cono e pronti due cronometri. Spostare il dispositivo di accensione di scintilla in posizione sopra il campione. Quindi aprire le persiane e avviare il cronometro primo.
  8. Dopo l'accensione dell'olio, contemporaneamente arrestare il cronometro primo e avviare il cronometro secondo. Quindi spostare il dispositivo di accensione di scintilla nuovamente in posizione neutra dalla masterizzazione campione.
    1. Se l'olio non si accende entro 10 min, fermare il cronometro primo e spostare il dispositivo di accensione di scintilla nuovamente nella sua posizione neutra. Poi accendono l'olio usando un cannello butano e avviare il cronometro secondo.
      Attenzione: Durante la masterizzazione di oli che contengono acqua, naturalmente o a causa di emulsificazione, un boilover può verificarsi durante il masterizzazione (passaggio 4).
  9. Dopo che il fuoco si spegne, fermare il cronometro secondo, chiudere le persiane e fermare l'acquisizione di dati dell'analizzatore di gas e temperature dell'acqua di raffreddamento. Quindi fermare la pompa, chiudere le valvole, scollegare i tubi e posizionare il supporto del campione su scala tarata. Registrare il peso del titolare compreso il residuo di ustione.
  10. Pulire il contenitore da eventuali residui di olio bruciato con un solvente non polare volatile. Pesare il titolare pulito nuovamente per determinare il peso del residuo. Quindi calcolare l'efficienza di combustione e la masterizzazione di tempo come descritto al punto 4.7.
  11. Per ogni olio che deve essere testato, ripetere i passaggi 7.4-7.10 per flussi di calore di 10, 20, 30, 40 e 50 kW/m2. Rimuovere qualsiasi fuliggine depositata sul cono riscaldatore bobina dopo ogni esperimento.
    1. Al fine di stabilire che la minima potenza termica necessaria per accensione pilotata, cioè il flusso di calore critico, può essere necessario verificare i flussi di calore supplementare. Ripetere i passaggi da 7,4-7.10 per flussi di calore abbassate di 1 kW/m2 con incrementi dal più basso flusso di calore alle quali accensione pilotata si è verificato fino a quando un flusso di calore è testato per cui accensione pilotata non viene osservata entro 10 min. Il flusso di calore critico quindi si trova all'interno di una gamma superiore di 1 kW/m2 di questo flusso di calore.
      Attenzione: Oli greggi molto volatili può prendere fuoco spontaneamente quando sottoposti ad altissimo calore flussi (≥ 40 kW/m2), anche quando sono chiuse le persiane del riscaldatore cono.

8. superficie temperatura all'accensione esperimenti di petrolio greggio nel Setup del COFA (Figura 4).

  1. Mettete un cilindro di vetro Pyrex alto di 5 cm con un diametro interno di 16,3 cm (diametro esterno di 16,9 cm) su un supporto, con un'altezza complessiva di 35-45 centimetri, nel centro della COFA (Figura 1). Posizionare due a infrarossi (IR) montati su basamenti di acciaio regolabili su due lati opposti del cilindro di vetro Pyrex ad una distanza orizzontale di almeno 5 cm dal bordo esterno del cilindro.
    Nota: Le specifiche precise e le dimensioni dei riscaldatori IR sono irrilevanti, purché essi possono fornire un flusso di calore sufficientemente alta per la superficie di olio per bruciare oli greggi, che in genere richiede 5-20 kW/m2 per l'accensione. Si consiglia una potenza minima di 1 kW e minimo larghezza di riscaldatore di 17 cm. Eventuali sistemi di raffreddamento dei riscaldatori IR, quali ventilatori aria, inoltre non dovrebbero interagire con la chiazza di petrolio durante l'esperimento.
  2. Per misurare la temperatura in superficie dopo l'accensione di un greggio, un incidente è consigliato il flusso di calore di 2-5 kW/m2 superiore al suo flusso di calore critico (passo 7.11.1).
    1. Preparare un misuratore di flusso 100 kW/m2 calore secondo passi 6.1.1-6.1.2 e collegare il misuratore di flusso di calore a un data logger. Posto il flusso di calore calibro al centro del cilindro di vetro Pyrex, rivolto verso l'alto, ad un'altezza di 1-2 mm sotto il bordo superiore del cilindro. L'area orizzontale a questa altezza dentro il Pyrex vetro cilindro è da qui in poi indicato come "piano orizzontale". Questo piano orizzontale corrisponde alla superficie di una chiazza di petrolio all'interno del cilindro di vetro Pyrex.
      Nota: Assicurarsi che il misuratore di flusso di calore può essere spostato liberamente sul piano orizzontale che può misurare il flusso di calore incidente in varie località del piano orizzontale. Il Pyrex vetro cilindro solo funzioni come un aiuto visivo per posizionare correttamente il flusso di calore calibro piano orizzontale, quindi se necessario, il cilindro di Pyrex possa essere rimossi durante il passaggio 8.2.
    2. Avviare il data logger, accendere i riscaldatori IR e monitorare il flusso di calore incidente al centro del piano orizzontale. Ottimizzare il flusso di calore incidente sul piano orizzontale regolando la posizione spaziale dei riscaldatori IR (altezza, angolo e distanza orizzontale tra il piano orizzontale) e loro percentuale di uscita di potenza fino a quando il flusso di calore incidente desiderato è ottenuto.
    3. Misurare il flusso di calore incidente ai bordi esterni del piano orizzontale. In tutte le sedi, il flusso termico incidente dovrebbe essere 2-5 kW/m2 superiore il flusso di calore critico dell'olio che sarà testato. Regolare la posizione e la percentuale di uscita di alimentazione dei riscaldatori IR secondo il punto precedente, se necessario.
    4. Dopo ogni regolazione dell'uscita Ubicazione e la potenza dei riscaldatori IR, misurare il flusso di calore incidente sul piano orizzontale al suo centro e i bordi esterni.
    5. Ripetere i passaggi 8.2.2-8.2.5 fino a quando il flusso di calore incidente misurata in tutto il piano orizzontale è 2-5 kW/m2 superiore il flusso di calore critico dell'olio selezionato. Spegnere i riscaldatori IR, quindi rimuovere il misuratore di flusso di calore. Posizionare il cilindro di vetro Pyrex nel suo supporto, se necessario.
  3. Riempire la COFA con acqua fresca (340-440 L) in modo che il livello dell'acqua è un centimetro sotto il bordo del cilindro di vetro Pyrex. Posto un'elica su uno dei lati della COFA direttamente rivolto verso il cilindro di vetro Pyrex all'altezza trovato nel passaggio 4.
  4. Posizionare e fissare una serie di tre termocoppie di tipo K spessore 1 mm a 1-2 mm sotto il bordo del cilindro di vetro Pyrex. Disporre le termocoppie in modo che misurano lungo il raggio del cilindro, con una distanza di circa 1-2 cm tra ogni termocoppia. Collegare le termocoppie a un data logger.
  5. Collegare un dispositivo di accensione di scintilla con una fascetta metallica ad un'asta di metallo su un supporto metallico che si trova alla COFA. Posizionare il supporto in modo che il dispositivo di accensione può essere spostato facilmente da una posizione neutrale per una posizione 2-3 cm sopra la zona centrale del cilindro di vetro Pyrex e torna alla sua posizione neutra nuovamente.
  6. Pesare una quantità di petrolio grezzo equivalente a una chiazza di petrolio spessa 5 mm nel cilindro di vetro di Pyrex (vale a dire, sulla base della densità e un volume di 104 mL) in un piatto di alluminio.
  7. Versare l'olio greggio sull'acqua all'interno del cilindro di vetro Pyrex. Fare attenzione a non versare olio fuori il fondo del cilindro versando l'olio troppo veloce. Pesare il piatto di alluminio nuovamente e registrare il peso effettivo del greggio riversato all'interno del cilindro di vetro Pyrex.
  8. Aggiungere lentamente acqua la COFA fino a quando la superficie dell'olio appena entra in contatto con le tre termocoppie. Spostare il dispositivo di accensione di scintilla nella sua posizione sopra l'olio.
  9. Avviare il data logger e un cronometro in sincronia in modo che ogni secondo corrisponde a un numero di scansione specifica. Accendere la cappa di scarico, l'elica e il sistema di accensione di scintilla. Accendere i riscaldatori IR e impostare la potenza per la percentuale individuata nel passaggio 8.2.
  10. Dopo l'accensione dell'olio, fermare il cronometro e data logger, spegnere il sistema di accensione di scintilla e spostarlo in posizione neutra e spegnere i riscaldatori IR e l'elica. Quindi spegnere il fuoco mettendo attentamente una copertura incombustibile sopra il cilindro di vetro Pyrex. Il fuoco di estinzione possono richiedere le termocoppie di essere spostati prima.
  11. Raccogliere e smaltire l'olio greggio con pastiglie assorbimento idrofobo. Drenare l'acqua dalla COFA fino a quando il livello dell'acqua è abbastanza basso per misurare il flusso di calore incidente sul piano orizzontale nuovamente con un misuratore di flusso di calore. Pulire il cilindro di vetro di Pyrex con un solvente non polare volatile.
  12. Tracciare la temperatura delle tre termocoppie in funzione del numero di scansione. Basato sull'ora del cronometro, il corrispondente numero di scansione e il tracciato grafico, determinare la temperatura in superficie dopo l'accensione del greggio testato.
  13. Per ogni olio supplementare che verrà testato, ripetere i passaggi 8.2-8.12.

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Representative Results

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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.

Figura 6 Mostra il tempo di ritardo di accensione in funzione del flusso di calore incidente dal riscaldatore cono (passaggio 7, nella figura 2-3) per Grane fresco (un pesanti di petrolio greggio) e si è volatilizzato Grane con perdite del 7% in peso. I risultati danno un esempio dei tempi di ritardo di accensione aumentata per oli greggi evaporati. Inoltre, il flusso di calore critico, rappresentato dagli asintoti verticali, aumenta anche in funzione delle perdite per evaporazione. Nel complesso, questi risultati danno un'impressione della forza e dell'esposizione durata che una fonte di accensione deve avere per bruciare questi diversi tipi di oli. Ulteriori risultati ottenuti con il protocollo descritto nel presente documento possono essere trovati in Van Gelderen, Rojas Alva, et al. 32

Una presentazione più tipica del tempo di ritardo di accensione come una funzione della potenza termica incidente è illustrata nella Figura 7. Chiazze di petrolio greggio in genere si comportano come materiali termicamente spessi e il tempo di ritardo di accensione (tig) quindi può essere descritto dall'EQ. (2)19,32.

Equation 2(2)

Qui, k è la conducibilità termica, ρ la densità, c il coefficiente di calore specifico, Tig la temperatura in superficie dopo l'accensione, T la temperatura ambiente (utilizzata da 20 ° C), una la assorbimento, e Equation 3 il flusso termico incidente. Riscrittura di questa equazione dà il tempo di ritardo di accensione come una funzione lineare della potenza termica incidente (EQ. 3).

Equation 4(3)

Tracciando il tempo di ritardo di accensione sotto forma di 1 /Equation 5 in funzione della potenza termica incidente, i dati dovrebbero mostrare una linea di tendenza lineare e come tale permette di valutare la validità dei dati. Inoltre, i pendii delle linee di tendenza per diversi oli greggi dare un'indicazione della loro relativa inerzia termica (kρc) perché più bassa è la pendenza, più è difficile per riscaldare (e quindi accendere) un greggio.

I risultati per Grane evaporato (Figura 7) danno un buon esempio di un set di dati che si adatta con la sua linea di tendenza lineare, con un valore di2 R di 0.991. D'altra parte, i risultati per Grane fresco chiaramente iniziano a discostarsi dall'andamento lineare a flussi di calore più alti (30 kW/m2). Questo comportamento è probabilmente causato dai tempi di ritardo di accensione estremamente breve (< 10 s) a tali flussi di calore elevato per questo tipo di combustibile volatile. Grane fresco, simile ad altri oli freschi di greggio, contiene un'elevata quantità di componenti volatili che bruciano molto rapidamente sotto flussi di calore incidente alta. Una delle ipotesi sottostanti EQ. (2) che è il tempo che necessario per i gas combustibili di evaporazione dal combustibile per mescolare con ossigeno e raggiungere il sistema di accensione di scintilla è trascurabile33. Con tempi di ritardo di accensione di meno di 10 secondi, tuttavia, questo tempo di miscelazione, che è stimato essere dell'ordine di pochi secondi, diventare un contributore significativo per il tempo di ritardo di accensione. L'equazione (2) quindi non è più valido con questi tempi di ritardo di accensione breve, e quindi i dati si discosta dalla linea di tendenza lineare. Quando si studia l'infiammabilità degli oli greggi molto volatili, questo comportamento così dovrebbe essere preso in considerazione quando si analizzano i dati di tempo di ritardo accensione.

Figura 8 Mostra la velocità di rilascio di calore in funzione del tempo per una fresca greggio leggero e un emulsionato greggio leggero (preparati secondo i passaggi 2-3). La velocità di rilascio di calore sono calcolati con l'O2, CO2e misure di concentrazione di CO dall'analizzatore di gas (passaggio 7) secondo EQ. (26) da Janssens34. Vedere il Documento complementare per ulteriori dettagli su questi calcoli. Il petrolio greggio fresco Mostra un profilo di tasso del rilascio di calore tipico di un tasso di rilascio di calore lentamente decrescente nel tempo, che è rappresentativo di tutti gli oli greggi che non contengono acqua. Il petrolio greggio emulsionato Mostra un buon esempio di esplosività del fenomeno boilover, con un tasso di rilascio di calore che aumenta rapidamente fino a un fattore cinque volte superiore rispetto alla fase di masterizzazione regolare prima del boilover. Fuoriuscite sono fenomeni altamente irregolari, però, e l'intensità, la durata e il tempo di insorgenza dipendono la stabilità e la percentuale di volume dell'acqua all'interno del petrolio greggio.

Figura 9 Mostra l'efficienza combustiva e la velocità di combustione in funzione della potenza termica incidente per un greggio leggero fresco e un olio pesante evaporato con perdite del 7% in peso. La velocità di combustione e l'efficienza combustiva aumentare con l'aumento del flusso termico incidente per entrambi i tipi di petrolio greggio. A flussi di calore basso, efficienza combustiva Mostra una differenza significativa tra il petrolio greggio leggero fresco e il petrolio greggio pesante evaporato. A più elevati flussi di calore, le efficienze di combustione per questi oli convergono a valori simili, che è il comportamento tipico per tutti i tipi di petrolio grezzo fresco e stagionato. La velocità di combustione non Mostra questa tendenza convergente per oli diversi, perché il tempo di combustione cambia anche in funzione della potenza termica incidente, che può essere diversa per ogni tipo di olio. Per oli contenenti acqua, la frazione di acqua dovrebbe in linea di principio non essere contabilizzata nel calcolo dell'efficienza di combustione e la velocità di combustione perché è un materiale non combustibile. Tuttavia, l'acqua evapora durante la combustione e l'insorgenza di boilover ulteriormente complica efficienza combustiva e brucia le valutazioni di tasso come aziona le goccioline di olio e acqua dal combustibile. Come tale, gli olii emulsionati greggio può così visualizzare deviazioni dai dati indicati, ad esempio in Figura 9, e prestare attenzione quando si analizza l'efficienza combustiva e risultati di tasso bruciore degli oli greggi contenente acqua.

La figura 10 Mostra la temperatura superficiale delle due termocoppie sulla superficie di carburante in funzione del tempo per un greggio leggero evaporato con perdite del 20% in peso nel setup del COFA (passaggio 8, Figura 4). Il risultato mostra un chiaro picco di temperatura dopo 178 s. Proprio prima di questo momento, la temperatura superficiale del greggio è 129 ° C come misurato da due termocoppie, che è la temperatura in superficie dopo l'accensione. In combinazione con i risultati di tempo del ritardo di accensione per questo olio (passaggio 7), EQ (2) quindi può essere utilizzato per calcolare l'inerzia termica per l'olio. La tabella 1 Mostra i valori di inerzia termica per questo evaporato greggio leggero basato sulla sua temperatura superficiale al momento dell'accensione a 129 ° C e i suoi tempi di ritardo di accensione in funzione del flusso di calore incidente. Wu, et al. 19 trovato che l'assorbimento non può essere impostata su unità per oli greggi e questo termine è stato così incluso nei calcoli dell'inerzia termica. Valori di letteratura l'inerzia termica per oli greggi per scopi di confronto possono essere trovati nel Regno di Wu, et al. 19 e Ranellone, et al. 20

Figure 1
Figura 1 : Schemi di installazione la COFA. Gli schemi includono una visione più dettagliata il cilindro di vetro Pyrex sul cavalletto (a sinistra), una vista dall'alto della COFA (al centro) e una vista in sezione trasversale del setup completo (a destra). Inoltre, viene visualizzato un insieme di tre primi piani (a-c) il processo di riempimento della COFA che corrisponde al protocollo passi 4.1 (a), 4,4 (b) e 4,5 (c). L'installazione COFA è utilizzata nel passaggio 4 per determinare i punti di calibrazione della masterizzazione efficienza e velocità di combustione di un greggio per l'installazione di cono. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2 : Versione descrizione schematica dell'installazione cono (non in scala). La configurazione è costituito da un riscaldatore di cono con una centralina, un portacampioni cono su misura, una pompa peristaltica e serbatoio e una cappa di scarico con un analizzatore di gas di raffreddamento ad acqua. Gli schemi dispongono anche di un primo piano del collocamento termocoppia in tubi dell'acqua (punto 5.1). Questa configurazione è utilizzata nel passaggio 7 per studiare l'infiammabilità degli oli greggi. Si noti che non c'è alcun contatto diretto tra l'olio e l'acqua di raffreddamento in questa configurazione, come sono separati da titolare del metallo. Dettagli del supporto del campione di cono sono dato in Figura 3. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3 : Schematica dettagliata della sezione trasversale del supporto del campione circolare del setup cono. I bordi metallici evitare che l'olio fuoriesca dopo l'accensione e sono inclinati di 30° dalla chiazza di petrolio per ridurre al minimo ri-radiazione. Questo supporto del campione di cono è utilizzato nel passaggio 7 per studiare l'infiammabilità degli oli greggi. Si noti che non c'è alcun contatto diretto tra l'olio e l'acqua di raffreddamento in questa configurazione, come sono separati da titolare del metallo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4 : Schemi della COFA di installazione per studiare la temperatura superficiale di petrolio greggio al momento dell'accensione. Gli schemi mostrano una vista dall'alto (a sinistra) e vista di sezione trasversale (a destra) e il programma di installazione include riscaldatori a raggi infrarossi (IR), un sistema di accensione di scintilla e un set di tre termocoppie per misurare la temperatura superficiale della marea nera (passaggio 8). Ulteriori dettagli del COFA di installazione sono mostrati nella Figura 1. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5 : Perdite per evaporazione di un petrolio greggio leggero (DUC) come funzione del tempo. I dati sono stati ottenuti utilizzando il metodo spumeggiante aria descritto nel passaggio 2 e mostrano chiaramente un tasso di evaporazione ridotta dopo il primo giorno (ore 19).

Figure 6
Figura 6 : Risultati in tempo ritardo accensione in funzione dell'incidente di calore cambiamento continuo per un fresco ed evaporato pesanti (perdita del 7% in peso) di petrolio greggio (Grane). Questi dati sono stati ottenuti utilizzando il programma di installazione di cono (Figura 2) secondo il protocollo nel passaggio 7. Gli asintoti verticali mostrano il flusso di calore critico (4 e 7 kW/m2) all'interno di una gamma superiore di 1 kW/m2 . Le barre di errore indicano un intervallo di dati basato su esperimenti di 2-3.

Figure 7
Figura 7 : Risultati in tempo ritardo accensione in funzione dell'incidente di calore cambiamento continuo per un fresco ed evaporato pesanti (perdita del 7% in peso) di petrolio greggio (Grane). Questi dati sono stati ottenuti utilizzando il programma di installazione di cono (Figura 2), secondo il protocollo nel passaggio 7 e trattati con EQ (2). I risultati indicano che le Grane evaporato ha una maggiore inerzia termica rispetto fresco Grane, come previsto. Il grafico mostra inoltre come, per oli volatili a flussi di alto calore incidente, ritardo accensione molto brevi periodi (< 10 s) può deviare dalla linea di tendenza lineare. Le barre di errore indicano un intervallo di dati basato su esperimenti di 2-3.

Figure 8
Figura 8 : Tasso di rilascio di calore in funzione del tempo per un greggio leggero fresco e un petrolio greggio leggero emulsionato con evaporato perdite del 40% in peso e contenente acqua di 40 vol %. I dati sono stati ottenuti dal setup cono (Figura 2) elaborazione O2, CO2e misure di concentrazione di CO dall'analizzatore di gas (passaggio 7) secondo EQ. (26) da Janssens34. Il petrolio greggio fresco Mostra un profilo di tasso del rilascio di calore regolari per oli greggi senza acqua contenuto. Il petrolio greggio leggero emulsionato ha provocato un boilover all'estremità dell'ustione e relativo profilo di rilascio di calore dà un'indicazione dell'intensità di una boilover rispetto ad un fuoco di petrolio greggio regolari.

Figure 9
Figura 9 : L'efficienza e la masterizzazione Masterizzazione valuta in funzione della potenza termica incidente per un greggio leggero fresco (DUC) e un evaporato pesanti di petrolio greggio con perdite del 7% in peso (Grane 7%). I dati sono stati ottenuti nel setup del cono (Figura 2) secondo Step 7 e mostrano come le efficienze masterizzazione di tipi diversi di petrolio greggio convergono a flussi di calore incidente alta. Tutti i punti dati avevano un errore massimo del 2,5% dalle medie mostrate.

Figure 10
Figura 10 : Temperatura di superficie in funzione del tempo per due termocoppie durante un esperimento di accensione nella COFA con un petrolio greggio leggero evaporato con perdite di 20 wt %. I dati sono stati ottenuti nel setup COFA (Figura 4) secondo il protocollo nel passaggio 8. Il picco improvviso di temperatura dopo 178 s indica il momento di accensione. La destra di temperatura prima di questo picco di sbalzi di temperatura Mostra la temperatura in superficie dopo l'accensione.

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

Tabella 1: tempi di ritardo di accensione e inerzia termica corrispondente in funzione dell'incidente di calore flusso per un greggio leggero evaporato con perdite di 20 wt %. L'inerzia termica è calcolata con EQ. (2), sulla base dei dati di tempo di ritardo accensione ottenuti nel passaggio 7 e la temperatura superficiale sui dati di accensione al passaggio 8.

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Discussion

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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 effettuate in un ambiente di laboratorio. Gli oli di greggio stagionati risultanti quindi sono funzionali ai fini di infiammabilità e di combustione efficienza studi in questo protocollo, come dimostrato nella sezione risultati rappresentante.

Una delle principali limitazioni nel protocollo è la calibrazione dell'acqua di raffreddamento per il setup di cono (passo 5). Il problema è che non sono presenti dati di riferimento disponibili per in situ masterizzazione esperimenti sul campo alla stessa scala e in condizioni simili, come l'installazione di cono. Non sono inoltre disponibili modelli di trasferimento calore prontamente disponibile che possono essere utilizzati in pratica per determinare l'equilibrio termico tra una masterizzazione greggio e relativo sub-strato di acqua che scorre. L'acqua di raffreddamento calibrazione pertanto deve essere basata su dati sperimentali dall'impostazione COFA (passaggio 4). Come accennato nel protocollo, la taratura può quindi essere condotta per entrambi oli singoli o per ogni olio separatamente. Senza dati di riferimento o un modello di trasferimento di calore adatto, è impossibile sapere quale di questi metodi, se del caso, dà una rappresentazione corretta dell'equilibrio termico per in situ combustione del petrolio greggio sull'acqua.

L'equilibrio termico nel setup del cono è ulteriormente complicata sottoponendo il petrolio greggio per un flusso di calore esterno, che può colpire anche la capacità di raffreddamento dell'acqua che scorre attraverso il supporto del campione di cono. Durante la combustione di un greggio sotto la stufa di cono, l'acqua outflowing aumenta di temperatura nel tempo, nella misura in cui dipende il flusso termico incidente. Presso il flusso di calore incidente massima di 50 kW/m2, l'acqua è stata osservata anche a essere bollente, come vapore è venuto fuori l'uscita dell'acqua. Non è attualmente chiaro in che misura l'acqua di raffreddamento è riscaldato direttamente con il riscaldatore di cono (e non l'olio brucia) e se ha un effetto significativo sui risultati. Solo attraverso un ampio studio sperimentale empirico sarebbe possibile ottimizzare il raffreddamento della calibrazione per tutti i flussi di calore incidente testata e per ogni tipo di olio testata. Nonostante questi problemi, attuazione dell'acqua di raffreddamento nel setup del cono senza dubbio migliorato la capacità dell'installazione cono per rappresentare in situ le condizioni di combustione. Esperimenti preliminari con un portacampioni senza acqua di raffreddamento non è riuscito a riprodurre le efficienze di combustione basse osservata nella COFA e non potrebbero essere utilizzati per rappresentare la in situ combustione del petrolio greggio. La limitazione discussa, così, non è una questione di se l'attuale cono installazione rappresenta in situ masterizzazione condizioni di greggio sull'acqua, ma fino a che punto correttamente rappresenta quelle condizioni. Per quanto siamo informati, la procedura di laboratorio presentato è, nonostante questa limitazione, attualmente il metodo più realistico per studiare l'infiammabilità ed efficienza combustiva di in situ combustione del petrolio greggio sull'acqua.

Un passo fondamentale nel protocollo è la misura della temperatura in superficie dopo l'accensione nel setup del COFA (passaggio 8). È molto importante che, quando l'elica è acceso, la superficie della marea nera all'interno del cilindro di vetro di Pyrex è come ancora come può essere. Se la superficie di olio è troppo in movimento (verticale), la posizione e il flusso dell'elica (passo 4) dovrebbe essere regolate per ridurre la turbolenza sulla superficie di olio. Senza una superficie di olio ancora, diventa molto difficile da misurare con precisione la temperatura in superficie al momento di accensione al passaggio 8. La scelta dei riscaldatori IR è anche fondamentale per il successo di questo passaggio. Durante lo sviluppo del presente protocollo, è stato trovato che i riscaldatori IR bisogno di avere una radiazione molto alta uscita, pur essendo più compatto possibile e hanno un sistema di raffreddamento che non interferisce con le misurazioni di temperatura. È quindi importante scegliere con attenzione un insieme dei riscaldatori IR per l'installazione COFA nella Figura 4. Idealmente, i riscaldatori IR devono essere in grado di fornire che una potenza termica di almeno 15 kW/m2 a distanze molto più lontano di 5 cm dal cilindro di vetro Pyrex. Ciò consentirebbe di utilizzare i riscaldatori IR mentre sta bruciando il petrolio greggio. L'efficienza di combustione degli oli greggi quindi possa essere testato in funzione di un flusso di calore incidente un'installazione sperimentale che meglio rappresenta in situ le condizioni di combustione.

Ulteriori miglioramenti alla rappresentazione di in situ masterizzazione condizioni durante l'infiammabilità e la masterizzazione esperimenti di efficienza potrebbe essere fatto attraverso varie modifiche o aggiunte per le installazioni COFA e cono. Attualmente, gli esperimenti vengono condotti in condizioni ambientali molto calme. È stato dimostrato da in situ bruciare gli studi di campo, tuttavia, che le onde e il vento può anche interessare l'infiammabilità di petrolio greggio5,21,36,37. Per simulare tali condizioni, la COFA potrebbe ad esempio essere equipaggiato con un creatore di onda e ventilatori che creano un vento sopra la superficie dell'acqua. Climi più freddi possono essere simulati utilizzando un mezzo di raffreddamento più freddo nell'impostazione di cono, simile a Ranellone, et al. 20, o aggiungendo il ghiaccio di acqua corpo nella COFA. Infine, lo spessore iniziale delle chiazze di petrolio greggio può essere variato negli esperimenti, perché anche questo è un parametro noto per influenzare l'infiammabilità e la efficienza combustiva di oli greggi5,22.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Gli autori vorrei ringraziare il Consiglio danese per la ricerca indipendente per il finanziamento del progetto (Grant DDF - 1335-00282). COWIfonden ha finanziato la costruzione dell'apparato di infiammabilità di petrolio greggio e l'analizzatore di gas, tra cui l'inserto del condotto. Maersk Oil e Statoil fornito le greggi che venivano usate per i risultati rappresentativi. Nessuno degli sponsor sono stati coinvolti nel protocollo o i risultati di questa carta. Gli autori inoltre ringraziare Ulises Rojas Alva per assistenza con la costruzione il portacampioni cono modificate.

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