Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Eksperimentelle prosedyren for laboratoriestudier In Situ brennende: Brennbarhet og brenner effektiviteten av råolje

Published: May 1, 2018 doi: 10.3791/57307

Summary

Her presenterer vi en protokoll for samtidig studere Brennbarhet og brennende effektiviteten av frisk og weathered råolje under forhold som simulerer i situ brenner operasjoner på havet.

Abstract

En ny metode for samtidige studiet av Brennbarhet og brennende effektivitet frisk og weathered råolje gjennom to eksperimentell laboratorium oppsett er presentert. Forsøkene er lett gjentagbar sammenlignet operative skala eksperimenter (bassenget diameter ≥2 m), mens fortsatt med ganske realistisk i situ brenner for råolje på vann. Eksperimentelle forhold inkluderer et rennende vann sub lag som kjøler oljeflaket og en ekstern varme fluks (opptil 50 kW/m2) som simulerer høyere varme tilbakemelding til drivstoff overflaten i operative skala råolje bassenget branner. Disse forholdene kan en kontrollert laboratorium studie av brennende effektiviteten av råolje bassenget branner som tilsvarer operative skala eksperimenter. Metoden gir også kvantitative data om kravene for antennelse råolje i den kritiske varme flux, tenning tidsforsinkelsen som en funksjon av hendelsen varme fluks overflatetemperaturen på tenningen og den termiske tregheten. Denne typen data kan brukes til å fastslå den nødvendige styrke og varighet av en tenningen å antennes en bestemt type friske eller weathered råolje. Den viktigste begrensningen av metoden er at den avkjølende effekten av rennende vann sub lag på brennende råolje som en funksjon av den eksterne varme flux ikke har blitt fullt kvantifisert. Eksperimentelle resultater viste tydelig at rennende vann sub laget blir bedre hvordan representant dette oppsettet er i situ brennende betingelser, men til hvilken grad denne representasjon er nøyaktig er. Metoden har likevel det mest realistiske i situ brenner laboratorieforhold tilgjengelig for samtidig studere Brennbarhet og brenning effektiviteten av olje på vann.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

In situ brenning sølt råolje på vann er en marine olje søl svar metode som fjerner sølt oljen fra vannoverflaten ved å brenne den og konvertere den til sot og gass forbrenningsprodukter. Denne svar metoden ble brukt under Exxon Valdez1 og Deepwater Horizon2 oljesøl og regelmessig nevnt som potensielle olje søl svar metode for arktiske3,4,5 ,6. To av nøkkelparameterne som bestemmer om i situ brenning av olje blir vellykket som søl svar er Brennbarhet og brennende effektiviteten av olje. Den første parameteren Brennbarhet, beskriver hvor lett drivstoff kan bli antent og kan føre til flamme spre over drivstoff overflaten til en fullt utviklet brann. Den andre parameteren brenner effektivitet, uttrykker hvor mye olje (i wt %) som er effektivt fjernet fra vannflaten ved bålet. Dermed er det relevant å forstå Brennbarhet og forventet brennende effektiviteten av forskjellige råoljer under i situ brenner forhold.

Tenningen av olje slicks på vann for i situ brenner formål er ofte adressert som et praktisk problem med kvalitativ diskusjoner på tenningen, systemer,5,,7,,8,,9. Praktisk tilnærming til tenningen av sølt olje som binære problem og merking oljer "ignitable" eller "ikke ignitable" (f.eks Brandvik, Fritt-Rasmussen, et al. 10) er imidlertid feil fra et grunnleggende ståsted. I teorien, kan noe drivstoff bli antent gitt en passende tenning kilde. Derfor er det relevant å kvantifisere tenning kravene til et bredt spekter av forskjellige råolje for bedre å forstå egenskapene til en råolje som ville merke det som "ikke ignitable". For dette formålet kan utviklet metoden brukes til å studere tidsforsinkelsen tenningen av en olje som en funksjon av hendelsen varme fluks, kritisk varme fluks av oljen og den termiske tregheten, dvs hvor vanskelig det er å varme opp oljen.

I en tidligere studie postulerte vi at det viktigste parameteren som styrer brennende effektiviteten er varme tilbakemelding til drivstoff overflaten11, som er en funksjon av bassenget diameter. Teori forklarer tydelig pool størrelse avhengighet av brennende effektiviteten basert på laboratoriestudier lav brennende effektivitet (32-80%)8,12,13 og storskala studier (bassenget diameter ≥2 m) rapporterer høy brennende effektivitet (90-99%)14,15,16. Metoden diskutert her ble utviklet for å teste den foreslåtte teorien. Ved å utsette småskala laboratorieforsøk til en konstant eksterne varme forandring, kan høyere varme tilbakemeldinger for storskala bassenget branner simuleres under kontrollerte laboratorieforhold. Som sådan, kan utviklet metoden studere brennende effektiviteten effektivt som en funksjon av diameter av varierende eksterne varme fluks.

I tillegg til en ekstern varme flux simulere større skala i situ brenner operasjoner, funksjonen eksperimentelle oppsett kjøling av oljeflaket av en kaldt vann flyt, simulerer kjøle effekten av havet gjeldende. Metoden diskutert er dessuten kompatibel med både fersk og weathered råolje. Forvitring av råolje beskriver fysiske og kjemiske prosessen som påvirker en råolje når det er sølt på vannet, som tap av flyktige komponentene og blande med vann til skjemaet vann-i-olje emulsjoner (f.eks AMAP17). Fordampning og emulgering er to av de viktigste forvitring prosessene som påvirker Brennbarhet råoljer18 og protokoller for å simulere prosessene forvitring er derfor inkludert i metoden diskutert.

Her presenterer vi en roman laboratoriemetode som bestemmer Brennbarhet og brennende effektiviteten av råolje under forhold som simulerer i situ brenner operasjoner på havet. Tidligere studier på Brennbarhet og brennende effektiviteten av råolje inneholdt både sammenlignbare og ulike metoder. Brannfare av frisk og weathered råolje som en funksjon av en ekstern varme flux ble studert på vann19 og under arktiske temperaturer20. Brennende effektivitet studier vanligvis fokusere på forskjellige typer frisk og forvitret råolje oljer og miljøforhold på fast skala (f.eks Fritt-Rasmussen, et al. 8Bech, Sveum, et al. 21). en fersk studie på brenning av råolje ved kjemiske gjetere er, til kunnskap om forfatterne, først til å studere den brennende effektiviteten for liten, middels, og storskala eksperimenter under lignende forhold13. Storskala eksperimenter er imidlertid ikke tilgjengelige for parametrisk studier på grunn av omfattende mengden tid og ressursene som kreves for å utføre slike eksperimenter. Den største fordelen med metoden presentert over nevnte studiene er at det tillater for samtidig studerte både Brennbarhet og brenning effektiviteten av råolje under semi-realistisk forhold. Kombinasjonen av studere disse to parametere for råolje som en funksjon av både forskjellige olje og (simulert) bassenget diameter gjennom lett gjentagbar eksperimenter var tidligere unfeasible i praksis.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Denne protokollen bruker to ulike eksperimentelle oppsett som brukes i trinn 4-8, som vist i de medfølgende skjema. Første er den råolje Brennbarhet apparatet (COFA) (figur 1 og Figur 4), som er en 1.0 × 1.0 × 0,50 m3 metall vannbassenget utformet for å utføre småskala i situ brenner råolje eksperimenter, som vises for eksempel i Van Gelderen, Brogaard, et al. 22 andre oppsettet er en membran varmeapparatet23 med en gnist tenneren som har en skreddersydd eksempel holder og en gass analysator som måler O2, CO2, og CO-konsentrasjoner hos eksos rør24 (figur 2 og Figur 3). De tekniske spesifikasjonene av disse oppsett er beskrevet mer detaljert i supplerende dokumentet, som også inneholder bilder av oppsett. Hvis ikke angitt, måles datamålinger (f.eks temperaturer, varme flukser eller konsentrasjoner) digitalt via en multiplexer og data logger. Dataloggere drives med digitale data oppkjøpet program. I protokollen inkluderer uttrykket "start datalogger" alle handlinger i henhold til programmet instruksjonene, som leveres av produsenten, som kreves for å starte oppkjøpet av data.

1. generelle håndtering av råolje

  1. For hver ny olje som vil bli studert, ta en 5 mL prøve og måle den tetthet og viskositet ved 25 ° C i en viscometer. Lagre resten av olje på 5-10 ° C i en lukket glassflaske inntil videre bruk.
    Forsiktig: Frisk råolje er meget brannfarlig og både olje og dens damp utgjør en moderat til høy helsefarlig. Videre er det vanskelig å rengjøre fra huden eller øynene med ikke farlig kjemikalier som såpe. Bruk vernebriller og hansker når du håndterer råolje og arbeid i et godt ventilert område.
  2. Ved starten av hver test økt, ta råoljer som testes av avkjølt (5-10 ° C) lagring. Riste hver oljebeholder for hånd i 1-2 min og la dem varme opp til romtemperatur før til gjennomføre eksperimenter. Tilbake i råolje til det avkjølt oppbevaring mellom treningene.
  3. Rengjør alle flater tilfeldigvis forurenset med råolje bruker en flyktige ikke-polar løsemiddel (e.g.,n-heptane).

2. fordamping forvitring av råolje av boblende trykkluft gjennom olje

Merk: Dette trinnet er basert på Stiver og Mackay25 og Buist, Potter, et al. 26

  1. Bore et antall hull (f.eksseks med en diameter (D) på 5 mm) jevnt fordelt i lokket på en plastbeholder 5-10 l og bore ett hull (f.eksD = 8-10 mm) i en av sidene av beholderen nært den øverste kanten.
  2. Gjøre en O-ring (ca D = 20 cm) med en vedlagt åpne tilkobling av plast rør med en diameter (ID) 4-6 mm og bore flere hull (f.eks, seks med D = 1 mm) jevnt fordelt langs den ene siden av O-ring.
    Merk: Prøv å oppveie den vertikale plasseringen av hullene i lokket fra hullene i O-ring for å minimere mengden av råolje blir blåst ut av containeren.
  3. Koble O-ring til et plastrør (f.eks ID 4-8 mm) som går gjennom siden hullet av plast container. Dette røret vil bli koblet til en trykkluft system med en regulerer ventil og en trykkmåler.
  4. Veie lokk og plast beholderen med plast O-ring separat og registrere deres vekt.
  5. Veie 2-4 L råolje (basert på tettheten) i beholderen og registrere vekten.
  6. Plasser beholderen under avtrekksvifte og koble O-ring til trykkluft. Boble luft gjennom oljen ved trykk som er så høy som mulig (f.eks 200 kPa) uten blåser olje gjennom hullene i lokket på beholderen.
  7. Veie olje på starten og slutten av hver arbeidsdag til å overvåke når ønsket fordamping forvitring staten (i wt % mistet) er oppnådd (f.eks 20 wt % mistet sammenlignet med første vekten). Dette kan ta fra en dag til over en uke av kontinuerlig boblende, avhengig av olje og lufttrykk. Hver middels vekt måling brukes til å etablere en fordampning kurve som en funksjon av tid, som hjelper med å forutsi nødvendig fordampning tid å nå ønsket fordamping forvitring staten.
    Merk: Etter den første dagen, råolje kan vanligvis stå i avtrekksvifte i flere dager (f.eks over helgen) uten å miste noen betydelig mengde masse når trykkluft er lukket.
  8. Når fordampning av råolje er ferdig, ta en 5 mL prøve av olje og måle den tetthet og viskositet ved 25 ° C i en viscometer. Lagre resten av olje på 5-10 ° C i en lukket glassflaske for videre bruk. Ren beholder, lokket, og O-ring med et flyktig ikke-polar løsemiddel fjerne tilgodehavende råolje.

3. emulgering av råolje med en roterende risting tabell

Merk: Denne delen av protokollen er endret fra Daling, M., et al. 27

  1. Legge til totalt 900 mL av råolje og friske eller salt vann blanding i en 1 L glassflaske med mengden vann som matchet ønsket vol % i emulsjonen. For eksempel består en emulsjon med 40 vol % vanninnhold av 540 mL av råolje og 360 mL vann. Det anbefales å bruke fordampet råolje, snarere enn friske råolje, mer nøyaktig presentere forvitring behandler sølt olje på åpent vann og skape mer stabil emulsjoner.
    Merk: Det er viktig at flasken ikke er fullt fylt slik at det er ledig plass tilgjengelig for turbulente blanding av olje og vann.
  2. Kraftig riste vann-olje blanding for hånd i 1-2 min. Deretter plasserer glassflaske på en roterende risting tabell og rør vann-olje blandingen på 175 rpm 20 h ved romtemperatur.
    Merk: For å unngå problemer med separasjon av vann laget fra emulsjonen, utføre eksperimentet med emulsjonen på samme dag som når 20 h risting perioden er fullført.
  3. Ta en 5 mL prøve av emulsjonen etter 20 h risting periode og måle den tetthet og viskositet ved 25 ° C i en viscometer.
  4. Hvis emulsjonen er ustabile (se nedenfor), plassere emulsjonen tilbake på det roterende riste tabellen og stadig riste emulsjonen 175 RPM mellom eksperimenter. Ved starten av hvert eksperiment, stoppe manuelt det roterende riste tabellen, ta den nødvendige mengden av emulsjon (trinn 7.5) og kobler den til det roterende riste tabellen. Når alle forsøk har vært gjennomført med emulsjonen, stoppe det roterende riste tabellen og lagre emulsjonen i avkjølt (5-10 ° C) oppbevaring.
  5. Hvis emulsjonen er stabil, fjerne emulsjonen fra tabellen roterende risting og la den hvile i romtemperatur. Riste emulsjonen kraftig i 1-2 min hånd før den nødvendige mengden av olje for hvert eksperiment. Når alle forsøk har vært gjennomført med emulsjonen, lagre det i avkjølt (5-10 ° C) oppbevaring.
    Merk: For denne protokollen, ustabil emulsjoner er definert som emulsjoner som danner en tydelig vann lag med flere timer, dvs før slutten av en typisk arbeidsdag.

4. referanse i Situ brenner eksperimenter i COFA (figur 1) for kalibrering av vannkjøling i kjegle-oppsettet

  1. Plass en 5 cm høy Pyrex glass sylinder og en ID 16,3 cm (ytre diameter på 16,9 cm) på et stativ, med en kombinert høyde av 35-45 cm, midt i COFA. Formen på holderen er irrelevant så lenge den tillater fri flyt av vann under området som dekkes av Pyrex glass sylinder. Fyll COFA med ferskvann (340-440 L) slik at vannet er 1 cm nedenfor kanten av Pyrex glass sylinder.
  2. Plass en propell på en av sidene av COFA vender mot Pyrex glass sylinder. Slå på propellen og justere vertikal høyde og flow slik at bølgene er vidt observerbare i vannet inne i Pyrex glass sylinderen. Registrerer vertikal høyde og flow holdning (f.eks, 1000 L/h) og slå propellen strikkes protokollen.
    Merk: Propellen brukes til å opprette en gjeldende i vannmassen som effektivt kjøler vann laget under brennende råolje for å hindre boilover fenomen28,29. Den først angi flyten og loddrette høyden på propellen medfører ikke tilstrekkelig kjøling av vann sub laget, og en boilover deretter vedvarer.
    Forsiktig: En boilover er en eksplosiv brennende tilstand med betydelig økt flamme høyde, brennende rate og varme utgivelsen rate under hvilke olje dråper er kastet ut fra de fire29,30,31. Sikre at sårbare utstyr er beskyttet (f.eksmed aluminiumsfolie) og holde personell og utstyr på en passende avstand fra brannen.
  3. Veie en mengde råolje tilsvarer en 5 mm tykk oljeflaket i Pyrex glass sylinderen (dvs., basert på tetthet og et volum på 104 mL) i en aluminium rett.
  4. Hell råolje på vannet innsiden Pyrex glass sylinder. Vær forsiktig så du ikke søler olje utenfor bunnen av sylinderen ved å helle olje for fort. Veie aluminium parabolen igjen og registrere den faktiske vekten av råolje strømmet inn Pyrex glass sylinder.
  5. Sakte Legg vann til COFA til overflaten av oljeflaket er 1-2 mm under kanten av Pyrex glass sylinder. Denne forskjellen er viktig å hindre at olje fra overfylte på tenningen.
  6. Slå på eksos panseret og propellen. Deretter antennes råolje bruke en butan hånd fakkel og måle etterbrenningen tid fra øyeblikket av tenningen å øyeblikk av utryddelse med en stoppeklokke.
  7. Etter at brannen er slukket naturlig, samle olje på vannflaten (kjent som brenne rester) hydrofobe absorpsjon pads med en kjent vekt. Ryste noen samlet vann før veier pads for å fastslå residua vekten. Brennende effektiviteten beregnes deretter bruke Eq. (1) og brennende beregnes ved å dele forskjellen mellom opprinnelige massen og rester masse etterbrenningen tid (i sekunder).
    Equation 1(1)
  8. I tilfeller der brannen resulterer i en boilover, gjenta protokollen trinn 4 av drenering vann fra COFA til vannflaten er igjen en centimeter under Pyrex glass sylinder kanten. Rengjør kantene av Pyrex glass sylinder med et flyktig, ikke-polar løsemiddel. Da reduserer den loddrette avstanden mellom propellen og Pyrex glass sylinder og/eller øke flyten holdning i propellen og gjenta i protokollen 4.3 til 4,8.
  9. I tilfelle brann ikke slutter med en boilover, bruke beregnede brennende effektivitet og brennende rate i trinn 4.7 for å kalibrere vannkjøling i kjegle-oppsettet.

5. kalibrering av vannkjøling for membran oppsett (figur 2 og Figur 3).

  1. Punktering en fleksible plast røret (4 mm ID) på en centimeter fra sin slutter med en 1 mm tykk K-Type thermocouple slik at til thermocouple bead er suspendert fritt inne i røret. Fastsette thermocouple med polytetrafluoroethylene (PTFE) bånd og aluminium tape for å sikre at thermocouple ikke flytte og at vann ikke lekke fra punktering. Koble thermocouple til en datalogger.
    1. Gjenta trinn 5.1 for en tube med rustfritt stål rør adapter og sett thermocouple rett under tube kortet.
  2. Plasser og fikse den første plastrør med enden med thermocouple så langt til bunnen av kjøling reservoaret som mulig. Koble den andre enden av røret i innløpet til en peristaltiske pumpe med en justerbar flyten hastighet.
  3. Koble en ny plastrør til utløpet av peristaltiske pumpen og koble den andre enden av denne plastrør til et rustfritt stål rør kort. Koble t-adapteren til en blåsebelg-forseglet ventil og koble belger-forseglet ventilen til innehaveren av membran-utvalg. Kontroller at tilkoblingene ikke lekker vann ved hjelp av PTFE bånd mellom tilkoblinger når det er nødvendig.
  4. Koble den andre siden av membran eksempel holderen til en blåsebelg-forseglet ventil, som er deretter koblet til røret kortet av rør med en thermocouple under kortet. Den andre enden av denne er plassert og fast på toppen av kjøling reservoaret slik at utstrømmende vannet tilbake til kjøling reservoaret.
    Merk: Kontroller at innløp rør og utløp tube har tilstrekkelig romlige avstand i reservoaret slik at oppvarmet vann ikke er direkte resirkulert, men får å kjøle i reservoaret før resirkulering.
  5. Plass prøven holderen med tilkoblede rør under kjegle varmeapparatet. Juste høyden på holderen slik at ytterkanten er 23 mm fra bunnen av kremmerhuset varmeapparatet. Kontroller at rørene er lang nok slik at prøven innehaveren kan enkelt plasseres under kjegle ovnen når prøven innehaveren inneholder råolje.
  6. Fyll kjøling tanken med demineralisert vann og avkjøle vannet til en valgt temperatur (f.eks,12 ° C). Åpne belger-forseglet ventiler og starte vannstrømmen gjennom eksempel holderen på en valgt flyt (f.eks 7 L/h). Riste holderen for å fjerne eventuelle gjenværende luft fra holderen slik at abonnenten får fylt med vann.
  7. Start datalogger og kontinuerlig overvåke temperaturen på vannet i- og utstrømmende. Stopper pumpen når utstrømmende temperaturen har stabilisert seg (dette er vanligvis et par grader over angi reservoaret temperaturen), lukker ventilene belger-forseglet, og slå på eksos panseret.
  8. Plasser prøven holderen i Last skala og Tara skalaen. Legge til en mengde olje for eksempel innehaveren som tilsvarer en sleip tykkelse på 10 mm (dvs., basert på tetthet og et volum på 95 mL). Deretter åpner belger-forseglet ventilene og starte pumpen igjen.
  9. Plasser prøven holderen forsiktig under kjegle varmeapparatet og antennes olje med en butan hånd lommelykt. Måle etterbrenningen tid fra øyeblikket av tenningen å øyeblikk av utryddelse med en stoppeklokke.
    Advarsel: Når du brenner oljer som inneholder vann, enten naturlig eller emulgering, en boilover kan oppstå under forbrenning (se trinn 4).
  10. Etter at brannen er slukket, stopper pumpen, lukker ventilene, koble rørene og plasser prøven holderen i tared skala. Registrere vekten av abonnenten inkludert brenne rester.
  11. Rengjør alle brent oljerester fra holderen med et flyktig ikke-polar løsemiddel. Veie renset abonnenten igjen for å finne rester vekten. Deretter beregne brennende effektiviteten og brenner tid som beskrevet i trinn 4.7.
  12. Brennende effektivitet og brennende rate matche resultatene fra protokollen trinn 4, vanntemperatur og flyt er nå kalibrert og kan brukes i trinnet som følger protokollen. I tilfelle brennende effektivitet og brennende rate ikke samsvarer resultatene fra protokollen steg 4, velge en ny reservoaret temperatur og/eller ny strøm tilsvarende. Koble rørene for eksempel innehaveren, åpne ventiler, starte pumpen, riste holderen for å fjerne all luft og gjentar trinn 5.7-5.12.
    Merk: Det kan ikke være mulig å matche både brennende effektiviteten og brennende sats. For beskrevet protokollen, brennende effektiviteten er mer viktig og bør samsvare så nøyaktig som mulig. Når du tester flere oljer, kan vanntemperatur og flyt kalibreres for enten en olje eller hver olje individuelt. Mens å kalibrering vanntemperatur og flyt for hver olje individuelt kan simulere oljen brenner på vannet mer nøyaktig, tenning forsinkelse tid resultatene av ulike oljer (trinn 6) kan være mer lett forhold når bruker en fast vanntemperatur og flyt hver eksperiment.

6. kalibrering av membran ovnen (figur 2-3).

  1. Kalibrere sammenhengen mellom temperaturen på membran varmeapparatet og varme flux utgang bruker en vannkjølt varme fluks måle med en maksimal kapasitet på 100 kW/m2.
    1. Plasser et akvarium pumpe i en bøtte og fylle bøtte med kaldt vann slik at pumpen er fullstendig neddykket.
    2. Koble akvarium pumpen varme flux sporvidden med et plastrør. Koble et andre plastrør varme flux sporvidden og fikse den andre enden av røret inne i bøtta, litt over vannflaten, slik at vann som strømmer ut av røret kan lett observeres. Slå på pumpen og sikre at en jevn strøm av vann strømmer gjennom varme flux måleren.
    3. Slå på eksos panseret og varme opp membran til 200 ° C. Plasser den varme flux måleren (vendt oppover) 25 mm under midten av membran og koble varme flux måleren til datalogger. Starte datalogger, åpne skoddene, måle varme fluks for 5-10 min før en stabil varme fluks lese opp, stoppe datainnsamling og lukke skoddene.
    4. Gjenta trinn 6.1.3 ved kjegle temperaturer på 300, 400, 500, 600, 700, 720, 740, 760, 780 og 800 ° C.
  2. Bestemme kjegle temperaturer som tilsvarer varme flukser 3-50 kW/m2 med målte datapunktene og forutsatt en lineær sammenheng mellom datapunkt.

7. Brennbarhet eksperimenter av råolje kjegle oppsettet (figur 2-3)

  1. På begynnelsen av hver test økt, sjekk med varme fluks måle om kjegle temperaturen tilsvarer en varme forandring av 10 kW/m2 fortsatt gir leses (±5%). Hvis ja, Fortsett med protokollen. Hvis ikke, gjentar du trinn 6 før du fortsetter.
  2. I begynnelsen av hver test økt, aktivere eksos panseret, slå på gass analyzer og kalibrere gass analyzer i henhold til spesifikasjonene fra produsenten.
  3. Kontroller at når prøven holderen er plassert under membran, det er en avstand på 23 mm mellom bunnen av membran og ytterkanten av abonnenten.
  4. Varme opp membran til en temperatur tilsvarer en varme forandring av 5 kW/m2.
    1. I mellomtiden, kjølig vann reservoaret til temperatur funnet i trinn 5, koble vann rør for eksempel innehaveren, åpne ventiler og starte pumpen ved flyt i trinn 5. Riste eksempel holderen for å fjerne all luft fanget inne i abonnenten. Start datalogger og overvåke temperaturen til utstrømmende temperaturen har stabilisert seg.
    2. Når både membran og prøve holder stabilisere på sine respektive innstilte temperaturene, stopper pumpen, lukker ventilene av prøven holderen og koble rørene fra ventilene.
  5. Plasser prøven holderen i Last skala og Tara skalaen. Legge til en mengde olje ved romtemperatur for eksempel innehaveren som tilsvarer en sleip tykkelse på 10 mm (dvs. basert på tetthet og et volum på 95 mL). Deretter koble rørene, åpne belger-forseglet ventiler og starte pumpen igjen.
  6. Starte datalogger for gass analysatoren for å måle O2og CO2CO-konsentrasjoner hos forbrenningsgasser og temperaturen i i - og post-ut - flowing vannet.
  7. Nøye plassholder eksempel under membran og klar to stopwatches. Flytte gnist-tenneren på plass over utvalget. Deretter åpne skoddene og starte første stoppeklokken.
  8. På tenningen av oljen, samtidig stoppe første stoppeklokken og starte andre stoppeklokken. Deretter flytte gnist-tenneren tilbake til sin nøytral posisjon fra brennende prøven.
    1. Hvis oljen ikke antennes innen 10 min, stoppe første stoppeklokken og flytte gnist-tenneren tilbake i sin nøytral posisjon. Deretter antennes olje bruker en butan hånd fakkel og starte andre stoppeklokken.
      Advarsel: Når du brenner oljer som inneholder vann, kan enten naturlig eller emulgering, en boilover oppstå under det brennende (trinnet 4).
  9. Etter at brannen er slukket, stoppe andre stoppeklokken, lukke skoddene og stoppe datainnsamling av gass analyzer og kjøling vanntemperatur. Deretter stopper pumpen, lukker ventilene, koble rørene og plasser prøven holderen i tared skala. Registrere vekten av abonnenten inkludert brenne rester.
  10. Rengjør abonnenten noen brente oljerester med et flyktig ikke-polar løsemiddel. Veie renset abonnenten igjen for å finne rester vekten. Deretter beregne brennende effektiviteten og brenner tid som beskrevet i trinn 4.7.
  11. For hver olje som skal testes, gjentar du trinnene 7,4-7.10 for varme flukser 10, 20, 30, 40 og 50 kW/m2. Fjern alle sot avsatt på membran varmeapparatet spolen etter hvert eksperiment.
    1. For å etablere minstekravet varme flux behov for yachtopplevelser tenning, dvs den kritiske varme flux, kan det være nødvendig å teste ekstra varme flukser. Gjenta 7,4-7.10 for varme flukser senket med 1 kW/m2 trinn laveste varme fluks på hvilke yachtopplevelser tenning oppstod før en varme fluks er testet som yachtopplevelser tenningen ikke er observert i 10 min. Kritisk varme fluks er da funnet i et 1 kW/m2 øvre område av denne varme forandring.
      Forsiktig: Svært flyktige oljer kan antennes spontant når utsettes for høy varme flukser (≥40 kW/m2), selv når skodder for membran varmeapparatet er lukket.

8. overflatetemperatur på tenningen eksperimenter av råolje i COFA stilling (Figur 4).

  1. Plass en 5 cm høy Pyrex glass sylinder med en ID på 16,3 cm (OD 16,9 cm) på en stand, med en kombinert høyde av 35-45 cm, midt i COFA (figur 1). Plass to infrarød (IR) varmeovner montert på justerbar rustfritt stål footings på to motstående sider av Pyrex glass sylinder i en vannrett avstand på minst 5 cm fra den ytre kanten av sylinderen.
    Merk: Den nøyaktige spesifikasjoner og dimensjoner av IR varmeovner er irrelevant så lenge de kan gi en tilstrekkelig høy varme forandring til olje overflaten å tenne råolje som vanligvis krever 5-20 kW/m2 for tenningen. Et minimum strøm av 1 kW og minimum varmeapparatet bredde på 17 cm anbefales. Kjøling systemer av IR varmere, som luft fans, bør videre ikke arbeide med oljeflaket under eksperimentet.
  2. For å måle overflate temperatur på tenningen en råolje, en hendelse varme fluks av 2-5 kW/m2 høyere enn sin kritiske varme flux (trinn 7.11.1) anbefales.
    1. Forberede en 100 kW/m2 varme flux måler etter trinn 6.1.1-6.1.2 og koble varme flux måleren til en datalogger. Sted varme fluks måle i midten av Pyrex glass sylinder, vendt oppover, på en høyde på 1-2 mm under øvre kant av sylinderen. Det horisontale området på denne høyden inne Pyrex glass sylinder herfra kalles "horisontalplanet". Denne horisontalplanet tilsvarer overflaten av en oljeflaket inne i Pyrex glass sylinderen.
      Merk: Kontroller at varme flux måleren kan fritt flyttes vannrett slik at det kan måle hendelsen varme fluks på ulike steder på det horisontale planet. Pyrex glass sylinder bare fungerer som et visuelt hjelpemiddel for riktig plassering varme fluks måle vannrett plan, slik at eventuelt Pyrex sylinderen kan fjernes under trinn 8.2.
    2. Start datalogger, slå på IR varmere og overvåke hendelsen varme fluks midt på det horisontale planet. Tune hendelsen varme fluks mot horisontalplanet ved å justere romlig plasseringen av IR varmere (høyde, vinkel og vannrette avstanden fra horisontalplanet) og power output prosenten til ønsket hendelse varme fluks er oppnådd.
    3. Måle hendelsen varme fluks på ytterkantene på det horisontale planet. På alle steder, bør hendelsen varme fluks være 2-5 kW/m2 høyere enn kritisk varme fluks av oljen som testes. Justere plasseringen og power output andelen IR varmere i henhold til forrige trinn, om nødvendig.
    4. Etter hver justering av plasseringen og kraft produksjon av IR varmeovner, måle hendelsen varme fluks mot horisontalplanet sentrum og de ytre kantene.
    5. Gjenta trinn 8.2.2-8.2.5 til den målte hendelsen varme gjennom horisontalplanet er 2-5 kW/m2 høyere enn kritisk varme fluks av valgte olje. Deretter slå av IR varmeovner og fjerne varme flux måleren. Plass Pyrex glass sylinder tilbake på stå, om nødvendig.
  3. Fyll COFA med ferskvann (340-440 L) slik at vannet er en centimeter under kanten av Pyrex glass sylinder. Plass en propell på en av sidene av COFA vender mot Pyrex glass sylinder på høyden i trinn 4.
  4. Plasser og fikse et sett med tre 1 mm tykk K-Type thermocouples på 1-2 mm under kanten av Pyrex glass sylinder. Ordne thermocouples slik at de måler langs radius for sylinderen, med en avstand på ca 1-2 cm mellom hver thermocouple. Koble thermocouples til en datalogger.
  5. Knytte en gnist tenneren med en metall klemme til en metall stang på et metall stativ som står i COFA. Sett stativet slik at tenneren kan lett flyttes fra en nøytral posisjon til posisjon 2-3 cm over sentrale området av Pyrex Glass sylinder og tilbake i nøytral posisjon igjen.
  6. Veie en mengde råolje tilsvarer en 5 mm tykk oljeflaket i Pyrex glass sylinderen (dvs. basert på tetthet og et volum på 104 mL) i en aluminium rett.
  7. Hell råolje på vannet innsiden Pyrex glass sylinder. Vær forsiktig så du ikke søler olje utenfor bunnen av sylinderen ved å helle olje for fort. Veie aluminium parabolen igjen og registrere den faktiske vekten av råolje strømmet inn Pyrex glass sylinder.
  8. Sakte Legg vann til COFA til overflaten av oljen bare kommer i kontakt med tre thermocouples. Flytte gnist-tenneren posisjon over olje.
  9. Start datalogger og en stoppeklokke synkronisert slik at hvert sekund samsvarer med noen objekter. Aktiver eksos panseret og propellen gnist-tenneren. Slå på IR varmeovner og angi strømforbruket prosenten i trinn 8.2.
  10. På tenningen av oljen, stoppe stoppeklokke og data logger, slå av gnist-tenneren og flytte den til nøytral posisjon og slå av IR varmeovner og propellen. Deretter slukke brannen ved forsiktig å plassere et brannsikkert dekke over Pyrex glass sylinder. Slukke brannen kan kreve thermocouples flyttes bort første.
  11. Samle og kast råolje med hydrofobe absorpsjon pads. Avløp vann fra COFA til Vannstanden er lav nok til å måle hendelsen varme fluks mot horisontalplanet igjen med en varme flux måle. Rengjør Pyrex glass sylinder med et flyktig ikke-polar løsemiddel.
  12. Tegne inn temperaturen på tre thermocouples som en funksjon av hvor skanning. Basert på tid på stoppeklokken, tilsvarende skanning nummeret og plottet grafen, Bestem overflatetemperaturen på tenningen av testet råolje.
  13. For hver ekstra olje som testes, gjentar du trinnene 8.2-8.12.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Figur 5 viser fordampning kurven av en lys råolje som var fordampet over flere dager til tap av 30 wt % ved hjelp av metoden beskrevet i trinn 2. Figuren viser tydelig at etter den første dagen (19 h) av fordamping forvitring, fordampning hastigheten er redusert betydelig, som tillater pauser som nevnt i protokollen.

Figur 6 viser tenning tidsforsinkelsen som en funksjon av hendelsen varme fluks fra kjegle ovnen (trinn 7, figur 2-3) for fersk Grane (en tung råolje) og fordampet Grane med tap av 7 wt %. Resultatene gir et eksempel på økt tenning forsinkelsestidene for fordampet råolje. I tillegg øker den kritiske varme flux, representert av de vertikale asymptoter, også som en funksjon av fordamping tap. Samlet sett gi disse resultatene et inntrykk av styrke og eksponering varigheten en tenning kilde må ha for å antennes disse typer oljer. Flere resultater oppnådd med protokollen beskrevet her kan finnes i Van Gelderen, Rojas Alva, et al. 32

En mer typisk presentasjon av tenningen tidsforsinkelsen som en funksjon av hendelsen varme fluks er vist i figur 7. Olje slicks vanligvis oppfører seg som termisk tykk materialer og tenning tidsforsinkelsen (tig) kan deretter beskrives ved Eq. (2)19,32.

Equation 2(2)

Her k er termisk ledningsevne, ρ tetthet, c spesifikke varme koeffisient, Tig overflatetemperaturen på tenningen, T omgivelsestemperaturen (antatt for å være 20 ° C), en av absorptivity, og Equation 3 hendelsen varme fluks. Rewriting denne formelen gir tenning tidsforsinkelsen som en lineær funksjon av hendelsen varme fluks (Eq. 3).

Equation 4(3)

Ved å plotte tenning tidsforsinkelsen i form av 1 /Equation 5 som en funksjon av hendelsen varme fluks, dataene bør viser en lineær trendlinje, og slik at vurdere gyldigheten av dataene. Videre av trendlinjer for forskjellige råoljer gir en indikasjon på deres relative termisk treghetsmoment (kρc) fordi lavere skråningen, jo vanskeligere er det å varme opp (og dermed antennes) en råolje.

Resultatene for fordampet Grane (figur 7) gir et godt eksempel på et datasett som passer med dens lineær trendlinje, med R2 verdien 0.991. På den annen side, begynner resultatene for fersk Grane tydelig å avvike fra den lineære trenden på høyere varme flukser (30 kW/m2). Dette er sannsynligvis forårsaket av ekstremt kort tenning forsinkelsestidene (< 10 s) på slike høy varme flukser for denne typen volatil drivstoffet. Frisk Grane, ligner andre ferske råolje, inneholder en høy mengde flyktige komponenter som antennes raskt under høy hendelsen varme flukser. En av forutsetningene underliggende Eq. (2) er at tiden det tar for brennbare gasser fordamper fra drivstoff å blandes med oksygen og nå gnist-tenneren er ubetydelig33. Med tenningen forsinkelse ganger mindre enn 10 sekunder, men blir dette blande tid, som er anslått for å være på et par sekunder, en betydelig bidragsyter til tenningen tidsforsinkelsen. Formel (2) er så ikke lenger gyldig med disse korte tenning forsinkelsestidene, og dermed dataene avviker fra lineær trendlinjen. Når studere Brennbarhet av svært flyktige oljer, bør dette problemet dermed tas i betraktning når du analyserer tenning forsinkelse tidsdata.

Figur 8 viser den varme utgivelse prisen som en funksjon av tid for en fersk lett olje og en emulgert lys råolje (utarbeidet etter trinn 2-3). Den varme utgivelse prisen beregnes O2og CO2, CO konsentrasjonen målinger fra gass analysatoren (trinn 7) ifølge Eq. (26) fra Janssens34. Se Tilleggsdokument for ytterligere opplysninger om disse beregningene. Frisk råolje viser en typisk varme utgivelsen hastighet profil av en sakte synkende varme utgivelsen rate over tid, som er representant for alle råoljer som ikke inneholder noe vann. Emulgert råolje viser et godt eksempel på explosiveness av boilover fenomenet, med en varme utgivelsen rate som raskt øker inntil en faktor fem ganger høyere enn den vanlige brennende fasen før boilover. Boilovers er svært uregelmessig fenomener, skjønt, og intensitet, varighet og klokkeslett for forekomst avhenger stabiliteten og volum prosenten av vannet inne råolje.

Figur 9 viser brennende effektivitet og brennende rente som en funksjon av hendelsen varme fluks for en frisk lett olje og en fordampet tungolje med tap av 7 wt %. Både brennende rate og brennende effektivitet øker med økende hendelsen varme flux for begge råolje typer. På lav varme flukser viser brennende effektiviteten betydelig forskjell frisk lys råolje og tunge fordampet råolje. På høyere varme flukser konvergere brennende effektiviteten for disse oljene til tilsvarende verdier, som er vanlig for alle typer frisk og weathered råolje. Den brennende rate viser ikke denne konvergerende trenden for ulike oljer, fordi etterbrenningen tid også endringer som en funksjon av hendelsen varme fluks, som kan være forskjellig for hver olje. For råolje som inneholder vann skal vann brøken i prinsippet ikke regnskapsføres ved beregning av brennende effektiviteten og brennende sats fordi det er et brannsikkert materiale. Imidlertid vannet fordampe under forbrenning og utbruddet av boilover videre kompliserer brennende effektivitet og brennende rate beregninger som det driver olje og vann dråper fra drivstoff. Slik emulgert råolje kan dermed vise avvik fra dataene, for eksempel i figur 9, og bekymre burde være tatt når du analyserer brennende effektivitet og brennende rate resultatene av oljer som inneholder vann.

Figur 10 viser overflatetemperaturen på to thermocouples på drivstoff overflaten som en funksjon av tid for en fordampet lys råolje med tap av 20 wt % i COFA stilling (trinn 8, Figur 4). Resultatet viser en klar økning i temperaturen etter 178 s. Rett før dette øyeblikk er overflaten temperaturen på råolje 129 ° C målt ved begge thermocouples, som er overflatetemperaturen på tenningen. I kombinasjon med tenningen forsinkelse tid resultatene av denne oljen (trinn 7), kan Eq. (2) deretter brukes til å beregne den termiske tregheten for olje. Tabell 1 viser termiske tregheten verdiene for denne fordampet lys råolje basert på dens overflate temperatur på tenningen 129 ° C og dens tenning forsinkelsestidene som en funksjon av hendelsen varme fluks. Wu, et al. 19 fant at absorptivity ikke kan angis til enhet for råolje og dette begrepet ble dermed inkludert i de termiske tregheten. Litteratur verdier av den termiske tregheten for råolje for sammenligningsformål finnes i Wu, et al. 19 og Ranellone, et al. 20

Figure 1
Figur 1 : Skjema for COFA. Schematics inkluderer en detaljert visning av Pyrex glass sylinder på stå (venstre), en ovenifra COFA (midten) og et kors inndelingsvisning for full (høyre). I tillegg viser et sett med tre nærbilder (a-c) fylling prosessen med COFA som tilsvarer protokollen trinnene 4.1 (a) 4.4 (b) og 4,5 (c). COFA oppsettet brukes til å bestemme kalibrering poeng av brennende effektivitet og brennende rate av en råolje for membran oppsett i trinn 4. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2 : Full skjematisk oversikt av membran (ikke skalere). Oppsettet består av en kjegle oppvarmet med en kontrollenhet, skreddersydde kjegle eksempel innehaver, peristaltiske pumpen og vannkjøling reservoaret, og en eksos hette med en gass-analysator. Schematics har også et nærbilde av thermocouple plassering i vann rør (trinn 5.1). Dette oppsettet brukes i trinn 7 for å studere Brennbarhet av råolje. Legg merke til at det er ingen direkte kontakt mellom olje og kjølevann i dette oppsettet, som de er atskilt av metall abonnenten. Detaljer av membran eksempel holderen er gitt i Figur 3. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3 : Detaljert cross-sectional skjematisk av sirkulære utvalg innehaveren av kjeglen. Metall kantene hindre at olje fra overfylte på tenningen og er vinklet 30° fra oljeflaket å minimere re stråling. Dette kjegle eksempel holder til i trinn 7 for å studere Brennbarhet av råolje. Legg merke til at det er ingen direkte kontakt mellom olje og kjølevann i dette oppsettet, som de er atskilt av metall abonnenten. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4 : Skjemaer over COFA installasjonsprogrammet for å studere overflatetemperaturen på råolje på tenningen. Schematics viser en ovenfra (venstre) og tverrsnittvisningen (høyre) og oppsettet inneholder infrarød (IR) varmeovner, en gnist-tenneren og et sett med tre thermocouples måle overflate temperatur på oljeflaket (trinn 8). Tilleggsinformasjon av COFA er vist i figur 1. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5 : Fordamping tap av en lys råolje (DUC) som en funksjon av tid. Dataene ble oppnådd ved hjelp av air boblende metoden beskrevet i trinn 2, og viser tydelig en redusert Fordampningshastighet etter den første dagen (19 h).

Figure 6
Figur 6 : Ignition forsinkelse tid resultatene som en funksjon av hendelsen varme flussmiddel for en frisk og fordampet (tap av 7 wt %) tung råolje (Grane). Disse dataene ble innhentet ved hjelp av membran setup (figur 2) i henhold til protokollen i trinn 7. De vertikale asymptoter viser kritiske varme fluks (4 og 7 kW/m2) innenfor 1 kW/m2 øvre område. Feilfeltene angi data basert på 2-3 eksperimenter.

Figure 7
Figur 7 : Ignition forsinkelse tid resultatene som en funksjon av hendelsen varme flussmiddel for en frisk og fordampet (tap av 7 wt %) tung råolje (Grane). Disse dataene ble innhentet ved hjelp av membran setup (figur 2), i henhold til protokollen i trinn 7, og behandlet med Eq. (2). Resultatene indikerer at fordampet Grane har en høyere termiske tregheten enn friske Grane, som forventet. Grafen viser dessuten hvordan for flyktige oljer på høy hendelsen varme flukser, svært kort tenning forsinkelsestiden (< 10 s) kan avvike fra lineær trendlinjen. Feilfeltene angi data basert på 2-3 eksperimenter.

Figure 8
Figur 8 : Varme utgivelsen rente som en funksjon av tid for en lys frisk råolje og en emulgert lys råolje med fordampet tap på 40 wt % og inneholder 40 vol % vann. Dataene ble innhentet fra kjegle oppsettet (figur 2) av O2og CO2CO konsentrasjonen målinger fra gass analysatoren (trinn 7) ifølge Eq. (26) fra Janssens34. Frisk råolje viser en vanlig varme utgivelsen hastighet profil for råolje uten vann innhold. Emulgert lys råolje resulterte i en boilover på slutten av brenne og sin varme utgivelsen profil gir en indikasjon på intensiteten av en boilover sammenlignet med en vanlig råolje brann.

Figure 9
Figur 9 : Brenning effektivitet og brennende rate som en funksjon av hendelsen varme fluks for en frisk lett olje (DUC) og en fordampet tung råolje med tap av 7 wt % (Grane 7%). Dataene ble oppnådd i kjegle oppsettet (figur 2) i henhold til trinn 7 og viser hvordan brenne effektiviteten av forskjellige råolje samles i høy hendelsen varme flukser. Alle datapunkter hadde en maksimal feil på 2,5% fra vises gjennomsnitt.

Figure 10
Figur 10 : Overflate temperatur som en funksjon av tid for to thermocouples under et tenning eksperiment i COFA med en fordampet lys råolje med tap av 20 wt %. Dataene ble innhentet i COFA stilling (Figur 4) i henhold til protokollen i trinn 8. Den plutselige pigge i temperaturen etter 178 s angir øyeblikk av tenningen. Temperatur rett før dette plutselige temperatur spiker viser overflatetemperaturen på tenningen.

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

Tabell 1: Ignition forsinkelsestidene og tilsvarende termiske tregheten som en funksjon av hendelsen varme flussmiddel for en fordampet lys råolje med tap av 20 wt %. Den termiske tregheten beregnes ved hjelp av Eq. (2), basert på tenningen forsinkelse tid dataene innhentet i trinn 7 og overflatetemperaturen på tenningen data i trinn 8.

Tilleggsdokument Klikk her for å laste ned dette dokumentet

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

To forvitring metodene som er beskrevet i denne artikkelen er en relativt enkel tilnærming forvitring prosesser at en sølt olje på vann er utsatt for17. Andre, mer sofistikert forvitring metoder kan også brukes til å gi weathered råolje utvalgene, for eksempel den sirkulerende barnesklier beskrevet av Brandvik og Faksness35. Fordelen av metodene presentert er at de krever enkel utstyr og lett kan gjennomføres i et laboratoriemiljø. De resulterende weathered oljene er så funksjonelle for Brennbarhet og brennende effektivitet studier i denne protokollen, som vist i representant resultatinndelingen.

En av de viktigste begrensningene i protokollen er kalibrering av vannkjøling for membran oppsett (trinn 5). Problemet er at det er ingen referansedata tilgjengelig for i situ brenner felteksperimenter på samme skala og under like forhold som membran oppsett. Det er dessuten ingen tilgjengelige varme overføring modeller som kan brukes i praksis for å bestemme varme balansen mellom en brennende råolje og flytende vann sub lagfargen. Vannkjøling kalibrering derfor må være basert på eksperimentelle data fra COFA oppsettet (trinn 4). Som nevnt i protokollen, kan kalibreringen deretter utføres for hver enkelt oljer eller hver olje separat. Uten referansedata eller en egnet varme overføring modell er det umulig å vite hvilke av disse metodene, eventuelt gir en riktig representasjon av den varme saldoen i situ brenning av olje på vann.

Varme balansen i oppsettet av membran kompliseres ytterligere ved å utsette råolje til en ekstern varme forandring, som også kan påvirke kjølekapasitet som renner gjennom innehaveren av membran-utvalg. Under brenning av en råolje under kjegle ovnen, øker utstrømmende vannet i temperatur over tid, omfanget av som er avhengig av hendelsen varme fluks. På maksimalt hendelsen varme fluks av 50 kW/m2, ble vannet også observert å være kokende, som steam kom ut av vannet uttaket. Det er foreløpig uklart i hvilken grad kjølevann er direkte oppvarmet av membran ovnen (og ikke den brennende oljen) og om den har en betydelig effekt på resultatene. Bare gjennom en omfattende empirisk eksperimentelle studie ville det være mulig å optimalisere vannkjøling kalibrering for alle testet hendelsen varme flukser og for hver testet olje. Til tross for disse problemene forbedret implementere vannkjøling i kjegle oppsettet utvilsomt evnen av kjegle å representere i situ brenner forhold. Foreløpig eksperimenter med en prøve holder uten vannkjøling klarte å gjenskape lav brennende effektiviteten observert i COFA og kan ikke brukes til å representere i situ brenning av råolje. Diskutert begrensningen er dermed ikke noen om den gjeldende kjegle installasjonsprogrammet representerer i situ brenner for råolje på vann, men i hvilken grad det riktig representerer disse betingelsene. Så vidt vi er klar, presentert laboratorium prosedyren er, til tross for denne begrensningen, for tiden den mest realistiske metoden for å studere Brennbarhet og brennende effektiviteten av i situ brenning av olje på vann.

En avgjørende skritt i protokollen er måling av overflatetemperaturen på tenningen i COFA stilling (trinn 8). Det er svært viktig at når propellen er aktivert, overflaten av oljeflaket inne i Pyrex glass sylinderen er som fremdeles som det kan være. Hvis oljen er for mye i (loddrett) bevegelse, bør plasseringen og flyten av propellen (trinn 4) justeres for å redusere turbulens på olje overflaten. Uten en fortsatt olje overflate blir det svært utfordrende å måle overflate temperatur på tenningen i trinn 8. Valg av IR ovner er også avgjørende for suksessen til dette trinnet. Under utviklingen av denne protokollen, ble det funnet at IR varmere må ha en svært høy stråling utgang, samtidig så kompakt som mulig og har et kjølesystem som ikke forstyrrer temperaturmålinger. Det er derfor viktig å nøye velge IR ovner for COFA oppsett i Figur 4. Ideelt sett skal IR varmere kunne gi en varme forandring av minst 15 kW/m2 på avstander mye lenger unna enn 5 cm fra Pyrex glass sylinder. Dette vil tillate bruker IR varmere mens råolje brenner. Brennende effektiviteten av råolje kan deretter bli testet som en funksjon av en hendelse varme forandring i en eksperimentelle oppsett som bedre representerer i situ brenner forhold.

Ytterligere kan forbedringer til representasjon av i situ brenner forhold under Brennbarhet og brennende effektivitet eksperimenter gjøres gjennom ulike endringer eller tilføyelser til COFA og membran oppsett. Foreløpig utføres eksperimenter under rolig miljøforhold. Det har vært vist i situ brenner åker studier, men at bølger og vind kan også påvirke Brennbarhet råolje5,21,36,37. For å simulere slike forhold, kan COFA for eksempel være utstyrt med en wave maker og fans som oppretter en vind vannoverflaten. Kaldere klima kan simuleres ved hjelp av et kaldere kjøling medium i kjegle stilling, ligner Ranellone, et al. 20, eller ved å legge isen vann kroppen i COFA. Til slutt, første tykkelsen på råolje slicks kan varieres i eksperimentene, fordi dette er også en parameter som er kjent for å påvirke Brennbarhet og brennende effektiviteten av råolje5,22.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Forfatterne vil gjerne takke danske Rådet for uavhengig forskning for aktivitetene (Grant DDF - 1335-00282). COWIfonden finansiert byggingen av råolje Brennbarhet apparater og gass analysator, inkludert ledningskanal ins. Maersk Oil og Statoil levert råoljer som ble brukt til representant resultatene. Ingen av sponsorene har vært involvert i protokollen eller resultatet av dette dokumentet. Forfatterne vil også gjerne takke Ulises Rojas Alva for hjelp med å opprette modifisert kjegle eksempel abonnenten.

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

  1. Allen, A. A. Contained Controlled Burning of Spilled Oil During the Exxon Valdez Oil Spill. Proceedings of the Thirteenth Arctic and Marine Oilspill Program (AMOP) Technical Seminar. 305-313 Environment Canada, 305-313 (1990).
  2. Allen, A. A., Jaeger, D., Mabile, N. J., Costanzo, D. The Use of Controlled Burning During the Gulf of Mexico Deepwater Horizon MC-252 Oil Spill Response. International Oil Spill Conference Proceedings. 2011, (1), 1-13 (2011).
  3. AMAP. Assessment 2007: Oil and Gas Activities in the Arctic - Effects and Potential Effects. 1, AMAP. , Oslo, Norway. 423 (2010).
  4. Nuka, Research Planning Group, LLC. Oil Spill Prevention and Response in the U.S. Arctic Ocean: Unexamined Risks, Unacceptable Consequences. The PEW Environment Group. Washington, D.C. 136 (2010).
  5. Buist, I. A., et al. In Situ Burning in Ice-Affected Waters: State of Knowledge Report Final Report 7.1.1. Arctic Response Technology. 293 (2013).
  6. EPPR. Guide to Oil Spill Response in Snow and ce Conditions in the Arctic. Emergency Prevention Preparedness and Response (EPPR). 184 (2015).
  7. Opstad, K., Guénette, C. Fire on the Sea Surface, Ignitability and Sustainability Under Various Environmental Conditions. Fire Safety Science. 6, 741-752 (2000).
  8. Fritt-Rasmussen, J., Brandvik, P. J., Villumsen, A., Stenby, E. H. Comparing Ignitability for In Situ Burning of Oil Spills for an Asphaltenic, a Waxy and a Light Crude Oil as a Function of Weathering Conditions Under Arctic Conditions. Cold Reg. Sci. Technol. 72, 1-6 (2012).
  9. Guénette, C. C., Thornborough, J. An Assessment Of Two Off-Shore Igniter Concepts. Proceedings of the Twentieth Arctic and Marine Oil Spill Program (AMOP) Technical Seminar . Environment Canada 795-808 (1997).
  10. Brandvik, P. J., Fritt-Rasmussen, J., Daniloff, R., Leirvik, F., Resby, J. L. Establishing, testing and verification of a laboratory burning cell to measure ignitability for in situ burning of oil spills. Report No. 20, 26. 20, SINTEF Materials and Chemistry. Trondheim. (2010).
  11. Van Gelderen, L., Malmquist, L. M. V., Jomaas, G. Vaporization order and burning efficiency of crude oils during in situ burning on water. Fuel. 191, 528-537 (2017).
  12. Farmahini Farahani, H., Shi, X., Simeoni, A., Rangwala, A. S. A Study on Burning of Crude Oil in Ice Cavities. Proc. Combust. Inst. 35, (3), 2699-2706 (2015).
  13. Bullock, R. J., Aggarwal, S., Perkins, R. A., Schnabel, W. Scale-up considerations for surface collecting agent assisted in situ burn crude oil spill response experiments in the Arctic: Laboratory to field-scale investigations. J. Environ. Manage. 190, 266-273 (2017).
  14. Fingas, M. F., et al. The Newfoundland Offshore Burn Experiment - NOBE. In Situ Burning Oil Spill Workshop Proceedings, NIST. 63-70 (1994).
  15. Guénette, C. C., Wighus, R. In situ Burning of Crude Oil and Emulsions in Broken Ice. Proceedings of the Nineteenth Arctic and Marine Oilspill Program (AMOP) Technical Seminar, Environment Canada. 895-906 (1996).
  16. Potter, S. Tests of Fire-Resistant Booms in Low Concentrations of Drift Ice - Field experiments May 2009. Report No. 27. 27, SINTEF. Trondheim. 17 (2010).
  17. AMAP. Assessment 2007: Oil and Gas Activities in the Arctic - Effects and Potential Effects. 2, AMAP. Oslo, Norway. 277 (2010).
  18. Buist, I. Window-of-Opportunity for In Situ Burning. Spill Sci. Technol. Bull. 8, (4), 341-346 (2003).
  19. Wu, N., Kolb, G., Torero, J. L. The Effect of Weathering on the Flammability of a Slick of Crude Oil on a Water Bed. Combust. Sci. Technol. 161, (1), 269-308 (2000).
  20. Ranellone, R. T., Tukaew, P., Shi, X., Rangwala, A. S. Ignitability of crude oil and its oil-in-water products at arctic temperature. Mar. Pollut. Bull. 115, (1), 261-265 (2017).
  21. Bech, C. M., Sveum, P., Buist, I. A. The Effect of Wind, Ice and Waves on the In situ Burning of Emulsions and Aged Oils. Proceedings of the Sixteenth Arctic and Marine Oilspill Program (AMOP) Technical Seminar, Environment Canada. 735-748 (1993).
  22. Van Gelderen, L., et al. Importance of the Slick Thickness for Effective In situ Burning of Crude Oil. Fire Saf. J. 78, 1-9 (2015).
  23. ISO 17554:2014(E) Reaction to fire tests – Mass loss measurement. International Organization for Standardization. Geneva. 28 (2014).
  24. ISO/TR 9705-2:2001(E) Reaction-to-fire tests – Full-scale room tests for surface products – Part 2: Technical background and guidance . International Organization for Standardization. Geneva. 39 (2001).
  25. Stiver, W., Mackay, D. Evaporation rate of spills of hydrocarbons and petroleum mixtures. Environ. Sci. Technol. 18, (11), 834-840 (1984).
  26. Buist, I., Potter, S., Zabilansky, L., Guarino, A., Mullin, J. Oil Spill Response: A Global Perspective. Davidson, W. F., Lee, K., Cogswell, A. Springer. Netherlands. 41-62 (2008).
  27. Daling, P. S., Moldestad, M. Ø, Johansen, Ø, Lewis, A., Rødal, J. Norwegian Testing of Emulsion Properties at Sea--The Importance of Oil Type and Release Conditions. Spill Sci. Technol. Bull. 8, (2), 123-136 (2003).
  28. Arai, M., Saito, K., Altenkirch, R. A. A Study of Boilover in Liquid Pool Fires Supported on Water Part I: Effects of a Water Sublayer on Pool Fires. Combust. Sci. Technol. 71, (1-3), 25-40 (1990).
  29. Garo, J. P., Vantelon, J. P., Fernandez-Pello, A. C. Boilover Burning of Oil Spilled on Water. Symp. (Int.) Combust. 25, (1), 1481-1488 (1994).
  30. Evans, D. D., Mulholland, G. W., Gross, H., Baum, H., Saito, K. Burning, smoke production, and smoke dispersion from oil spill combustion. Proceedings of the Eleventh Arctic and Marine Oilspill Program (AMOP) Technical Seminar, Environment Canada. 41-87 (1988).
  31. Guénette, C. C., Sveum, P., Buist, I., Aunaas, T., Godal, L. In situ burning of water-in-oil emulsions. Marine Spill Response Corporation. Washington D.C. 139 (1994).
  32. Van Gelderen, L., Rojas Alva, U., Mindykowski, P., Jomaas, G. Thermal Properties and Burning Efficiencies of Crude Oils and Refined Fuel Oil. International Oil Spill Conference Proceedings. 2017, (1), 985-1005 (2017).
  33. Quintiere, J. G. Ch 7. Fundamentals of Fire Phenomena. John Wiley & Sons, Ltd. 159-190 (2006).
  34. Janssens, M. L. Measuring rate of heat release by oxygen consumption. Fire Technol. 27, (3), 234-249 (1991).
  35. Brandvik, P. J., Faksness, L. G. Weathering processes in Arctic oil spills: Meso-scale experiments with different ice conditions. Cold Reg. Sci. Technol. 55, (1), 160-166 (2009).
  36. Wighus, R., Guènette, C. Fire on the sea surface - Experiments hazard assessment 1995. Report No. NBL A07129. SINTEF. Trondheim. 40 (2007).
  37. Guénette, C. C., Sveum, P., Bech, C. M., Buist, I. A. Studies of In Situ Burning of Emulsions in Norway. International Oil Spill Conference Proceedings. (1), 115-122 (1995).
Eksperimentelle prosedyren for laboratoriestudier <em>In Situ</em> brennende: Brennbarhet og brenner effektiviteten av råolje
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter