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Engineering

Procedimento experimental para estudos de laboratório de In Situ ardente: inflamabilidade e eficiência de queima de petróleo bruto

Published: May 1, 2018 doi: 10.3791/57307

Summary

Aqui, apresentamos um protocolo para estudar simultaneamente a inflamabilidade e a eficiência ardente de fresco e resistida petróleo sob condições que simulam em situ queima as operações no mar.

Abstract

É apresentado um novo método para o estudo simultâneo da inflamabilidade e eficiência ardente de fresco e resistida de petróleo através de duas configurações de laboratório experimental. Os experimentos são facilmente reproduzíveis em comparação com experiências em escala operacional (piscina diâmetro ≥2 m), enquanto que ainda com bastante realista em situ queima as condições de óleo cru na água. Condições experimentais incluem uma camada sub fluxo de água que resfria a mancha de óleo e um fluxo de calor externo (até 50 kW/m2) que simula o maior feedback de calor para a superfície do combustível em escala operacional petróleo piscina incêndios. Estas condições permitem um estudo laboratorial controlada da eficiência queima de fogos de piscina de petróleo bruto que são equivalentes às experiências em escala operacional. O método também fornece dados quantitativos sobre os requisitos para a inflamação óleos brutos de petróleo em termos do fluxo de calor crítico, tempo de atraso de ignição em função da inércia térmica, a temperatura da superfície em cima da ignição e o fluxo de calor incidente. Este tipo de dados pode ser usado para determinar a força necessária e a duração de uma fonte de ignição para inflamar um certo tipo de crude fresco ou resistida. A principal limitação do método é que o efeito de resfriamento da água fluindo sub camada sobre o queima de petróleo como uma função do fluxo de calor externo não foi totalmente quantificada. Resultados experimentais mostraram claramente que a camada de sub água fluindo melhorar como representante desta instalação é em situ ardente condições, mas até que ponto esta representação exata é atualmente incerta. O método apresenta, no entanto, o mais realista em situ queimando condições laboratoriais atualmente disponíveis para estudar simultaneamente a inflamabilidade e queima a eficiência do óleo cru na água.

Introduction

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Em situ queima de petróleo derramado na água é um método de resposta de derramamento de óleo marinho que remove o óleo derramado da superfície da água por queimá-lo e convertê-lo para fuligem e produtos gasosos de combustão. Este método de resposta foi aplicado com êxito durante o Exxon Valdez1 e derrames de petróleo em águas profundas Horizon2 e regularmente é mencionado como um método de resposta de derramamento de óleo potenciais para o Ártico3,4,5 ,6. Dois dos principais parâmetros que determinam se em situ queima de óleo será bem sucedido como um método de resposta de derramamento são a inflamabilidade e a eficiência de combustão do óleo. O primeiro parâmetro, inflamabilidade, descreve como um combustível pode ser inflamado e facilmente pode levar à propagação de chama sobre a superfície de combustível para resultar em um incêndio totalmente desenvolvido. O segundo parâmetro, queimando a eficiência, expressa a quantidade de óleo (em % em peso) que efetivamente é removido da superfície da água, pelo fogo. Assim, é relevante para compreender a inflamabilidade e a eficiência esperada queima de diferentes óleos brutos de petróleo sob em situ condições de queima.

Ignição de óleo slicks na água para em situ queimando fins é comumente tratado como um problema prático, com discussões qualitativas na ignição sistemas5,7,8,9. A abordagem prática para a ignição do derramamento de óleo como um problema binário, e rotulagem de óleos ou "inflamáveis" ou "não-inflamável" (por exemplo, Brandvik, Fritt-Rasmussen, et al. 10) é, no entanto, incorreta do ponto de vista fundamental. Em teoria, qualquer combustível pode ser inflamado dada uma fonte de ignição adequada. É, portanto, relevante para quantificar as exigências de ignição para uma ampla gama de tipos diferentes de óleo cru para compreender melhor as propriedades de um óleo bruto que rotulá-la como "não inflamáveis". Para este efeito, o método desenvolvido pode ser usado para estudar o tempo de atraso de ignição de um óleo em função do fluxo térmico incidente, o fluxo de calor crítico do óleo e sua inércia térmica, ou seja, quão difícil é para aquecer o óleo.

Em um estudo anterior, postula-se que o parâmetro principal que rege a eficiência de combustão é o feedback de calor para a superfície de combustível11, que é uma função do diâmetro da piscina. A teoria explica a dependência do tamanho de piscina aparente da eficiência ardente com base em estudos de laboratório relatando baixa queima eficiências (32-80%)8,12,13 e estudos de grande escala (diâmetro da piscina ≥2 m) Apresentando alta queima eficiências (90-99%)14,15,16. O método discutido neste documento foi concebido para testar a teoria proposta. Sujeitando os experimentos de laboratório de pequena escala para um fluxo constante de calor externo, o maior feedback de calor para incêndios de piscina em grande escala pode ser simulado em condições controladas de laboratório. Como tal, o método desenvolvido permite estudar a eficiência ardente eficazmente em função do diâmetro variando o fluxo de calor externo.

Além de um fluxo de calor externo para simular a escala maior de in situ queimando as operações, o recurso de configurações experimentais da mancha de óleo de resfriamento por um fluxo de água fria, simulando o efeito de resfriamento do mar atual. O método discutido além disso é compatível com óleos em bruto frescos e resistidos. O intemperismo do óleo cru descreve o processo físico e químico que afetam uma petróleo bruto, uma vez que é derramado sobre a água, tais como perdas de seus componentes voláteis e mistura com água para emulsões de água em óleo de forma (por exemplo, AMAP17). Evaporação e emulsificação são dois dos processos de intemperismo principais que afetam a inflamabilidade dos óleos brutos18 e protocolos para simular estes processos de intemperismo, portanto, estão incluídos o método discutido.

Neste documento, apresentamos um método de laboratório romance que determina a inflamabilidade e a eficiência de queima de petróleo em condições que simulam em situ queima as operações no mar. Estudos anteriores sobre a inflamabilidade e a eficiência de queima de óleos brutos de petróleo destaque comparáveis e diferentes métodos. A inflamabilidade de óleos em bruto frescos e resistidas em função de um fluxo de calor externo foi estudada em água19 e sob temperaturas árticas20. Estudos de eficiência ardente normalmente enfocam diferentes tipos de fresco e resistiu a óleos brutos e condições ambientais à escala fixa (por exemplo, Fritt-Rasmussen, et al. 8Bech, Sveum, et al. 21). um estudo recente sobre a queima de óleos brutos de petróleo contidos por pastores de químicos, para o conhecimento dos autores, é o primeiro a estudar a eficiência de queima para pequeno, intermediário, e em grande escala dos experimentos debaixo de condições similares13. Experiências em grande escala são, no entanto, não está prontamente disponível para estudos paramétricos devido à extensa quantidade de tempo e recursos necessários para a realização de tais experiências. A principal vantagem do método apresentado sobre os estudos mencionados anteriormente é que ela permite simultaneamente estudando ambos a inflamabilidade e queimando a eficiência de petróleo em condições semirealistas. A combinação de estudar esses dois parâmetros para óleos brutos de petróleo como uma função de ambos tipos diferentes do óleo e o diâmetro da piscina (simulado) através de experiências facilmente repetíveis foi anteriormente inviável na prática.

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Protocol

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Este protocolo faz uso de dois diferentes configurações experimentais que são usadas nas etapas 4-8, como mostra o esquema de acompanhamento. A primeira configuração é o petróleo bruto inflamabilidade aparelhos (COFA) (Figura 1 e Figura 4), que é um 1.0 × 1.0 × 0,50 m3 bacia de água de metal projetada para conduzir a pequena escala em situ queima de experimentos de petróleo bruto, como mostrado por exemplo em Van Gelderen, Brogaard, et al. 22 a segunda configuração é um cone aquecedor23 com um dispositivo de ignição de faísca que apresenta um porta-amostras feitos sob medida e um analisador de gás que mede o O2, CO2, e as concentrações de CO nos gases de escape do duto24 (Figura 2 e A Figura 3). As especificações técnicas destas configurações são descritas em detalhes adicionais no documento complementar, que também inclui fotografias das configurações. A menos que especificado em contrário, as medições de dados (por exemplo, temperaturas, fluxos de calor ou as concentrações de gases) são medidas digitalmente através de um multiplexador e dados logger. Os registradores de dados são operados com um programa de aquisição de dados digitais. No protocolo, a frase "iniciar o data logger" inclui todas as ações de acordo com as instruções do programa, conforme fornecido pelo fabricante, que são necessários para iniciar a aquisição de dados.

1. general manipulação de petróleo bruto

  1. Para cada óleo fresco que será estudado, tirar uma amostra de 5 mL e medir a sua densidade e viscosidade a 25 ° C em um viscosímetro. Guarde o resto do óleo em 5-10 ° C em frasco de vidro fechado até nova utilização.
    Atenção: Óleo cru fresco é altamente inflamável e tanto petróleo bruto e seus vapores representam uma moderada a risco elevado de saúde. Além disso é difícil limpo de pele ou os olhos com produtos químicos não perigosos, tais como sabão. Usar óculos de segurança e luvas quando manusear o petróleo bruto e trabalhe numa área bem ventilada.
  2. No início de cada sessão de teste, pegue os óleos brutos de petróleo que serão testados fora do armazenamento refrigerado (5-10 ° C). Agitar cada recipiente de óleo com a mão durante 1-2 min e deixá-los calor até a temperatura ambiente antes da realização de experiências. Retorne os óleos em bruto para o armazenamento refrigerado entre sessões de teste.
  3. Limpe quaisquer superfícies acidentalmente contaminados com petróleo bruto, usando um solvente volátil e não-polares (e.g.,n-heptano).

2. por evaporação intemperismo do óleo cru pelo borbulhar ar pressurizado através do óleo

Nota: Este passo é baseado em Stiver e Mackay25 e Buist, Potter, et al. 26

  1. Um número de buracos (por exemplo, seis com um diâmetro (D) de 5 mm) distribuído uniformemente na tampa de um recipiente de plástico de 5-10 L de broca e um único furo (p. ex.,D = 8-10 mm) em um dos lados do recipiente perto de sua borda superior.
  2. Fazer um-Ring (aproximadamente D = 20 cm) com um anexo abrir conexão de tubos de plástico com um diâmetro interno (ID) de 4 a 6 mm e um número de furos de broca (por exemplo, seis com D = 1 mm) uniformemente distribuída ao longo de um lado do-Ring.
    Nota: Tente compensar a localização vertical dos furos da tampa dos buracos no-ring para minimizar a quantidade de petróleo bruto, sendo soprado para fora do recipiente.
  3. Conecte um tubo de plástico (por exemplo, identificação de 4-8 mm) que atravessa o furo lateral do recipiente plástico, o-Ring. Este tubo será conectado a um sistema de ar pressurizado com uma válvula reguladora e um manômetro.
  4. Pesar a tampa e o recipiente de plástico com o-Ring plástico separadamente e registrar seu peso.
  5. Pesar 2-4 L de óleo cru (com base na sua densidade) no recipiente e registrar o peso.
  6. Coloque o recipiente sob uma coifa e conectar o-ring para o sistema de ar pressurizado. Bolha de ar através do óleo a uma pressão que é o mais alto possível (por exemplo, 200 kPa), sem estourar o óleo através dos furos da tampa do recipiente.
  7. Pesar o óleo no início e no final de cada dia de trabalho para monitorar quando é alcançado o estado de intemperismo evaporativo desejada (em % do peso perdido) (por exemplo, 20% em peso perdido em relação ao peso inicial). Isto pode demorar de um dia para mais de uma semana de propagação contínua, função da pressão de ar e tipo de óleo. Cada medição de peso intermediário é usada para estabelecer uma curva de evaporação em função do tempo, que contribui com prever o tempo de evaporação necessária para alcançar o estado desejado intemperismo por evaporação.
    Nota: Após o primeiro dia, o petróleo bruto pode normalmente ser deixado na coifa por vários dias (por exemplo, no fim de semana) sem perder qualquer quantidade significativa de massa quando o ar pressurizado é fechado.
  8. Finalizada a evaporação do petróleo bruto, tirar uma amostra de 5 mL de óleo e medir a sua densidade e viscosidade a 25 ° C em um viscosímetro. Guarde o resto do óleo em 5-10 ° C em um frasco de vidro fechado de continuar a utilizar. Limpe o recipiente, tampa e anel-o com um solvente apolar voláteis para remover os restos de petróleo bruto.

3. a emulsificação do óleo cru, usando uma tabela de agitação de Rotary

Nota: Esta parte do protocolo foi modificado Daling, M., et al. 27

  1. Adicione um total de 900 mL de óleo cru e a mistura de água doce ou salgada para um frasco de vidro de 1 L, com a quantidade de água correspondente a desejada vol % em emulsão. Por exemplo, uma emulsão com 40 vol % conteúdo de água consiste de 540 mL de óleo cru e 360 mL de água. É aconselhável usar petróleo evaporado, em vez de óleo cru fresco, para apresentar com mais precisão o intemperismo processos de petróleo derramado em águas abertas e criar emulsões mais estáveis.
    Nota: É importante que a garrafa não é totalmente preenchida para que haja espaço livre disponível para a mistura turbulenta do óleo e da água.
  2. Agite vigorosamente a mistura água-óleo com a mão por 1-2 min. Em seguida coloque a garrafa de vidro sobre uma mesa giratória de agitação e agitar a mistura de água-óleo em 175 rpm para 20 h à temperatura ambiente.
    Nota: Para evitar problemas com a separação da camada de água da emulsão, realizam os experimentos com a emulsão no mesmo dia como quando estiver concluído o período de agitação de 20 h.
  3. Uma amostra de 5 mL da emulsão após as 20h período a tremer e medir sua densidade e viscosidade a 25 ° C em um viscosímetro.
  4. Se a emulsão é instável (veja abaixo), coloque o rotary tabela de agitação a emulsão e agitar constantemente a emulsão a 175 rpm entre experiências. No início de cada experimento, interrompa manualmente o rotary agita a tabela, leve a quantidade necessária de emulsão (passo 7.5) e retorná-lo para o rotary agita a tabela. Uma vez que todos os experimentos foram realizados com a emulsão, parar o rotary tabela de agitação e armazenar a emulsão em refrigeração (5-10 ° C) de armazenamento.
  5. Se a emulsão está estável, remover a emulsão da tabela giratória tremendo e deixe descansar em temperatura ambiente. Agite a emulsão vigorosamente durante 1-2 min à mão antes de tomar a quantidade necessária de óleo para cada experimento. Uma vez que todos os experimentos foram realizados com a emulsão, armazená-lo em refrigeração (5-10 ° C) de armazenamento.
    Nota: Para efeitos do presente protocolo, emulsões instáveis são definidos como emulsões que formam uma camada de água claramente visível com várias horas, ou seja, antes do final de um dia de trabalho típico.

4. referência in Situ queimando as experiências sobre o COFA (Figura 1) para a calibração da água de resfriamento na configuração do Cone

  1. Coloque um cilindro de vidro Pyrex alto 5 cm e uma carteira de identidade de 16,3 cm (diâmetro exterior de 16,9 cm) em um carrinho, com uma altura combinada de 35 a 45 cm, no centro do COFA. A forma do titular é irrelevante, contanto que permite um fluxo livre de água sob a área coberta pelo cilindro de vidro Pyrex. Encha o COFA com água fresca (340-440 L) para que o nível da água é de 1 cm abaixo da borda do cilindro de vidro Pyrex.
  2. Coloque uma hélice em um dos lados do COFA directamente em frente do cilindro de vidro Pyrex. Ligar a hélice e ajustar a altura vertical e fluxo para que as ondas são apenas mal observáveis na água dentro do cilindro de vidro Pyrex. Registrar a altura vertical e a posição do fluxo (por exemplo, 1.000 L/h) e desligue a hélice antes de continuar o protocolo.
    Nota: A hélice é usada para criar uma corrente do corpo de água que efetivamente esfria a camada de água abaixo a queima de petróleo a fim de evitar o fenômeno de boilover28,29. A inicialmente definir fluxo e altura vertical da hélice não podem causar um resfriamento suficiente da camada de sub de água, e um boilover então ainda ocorre.
    Cuidado: Um boilover é um estado de chamas explosivo com altura de chama significativamente aumentada, velocidade de combustão e taxa de liberação de calor durante a qual óleo gotículas são sendo ejetadas do fogo29,30,31. Certifique-se de que qualquer equipamento vulnerável é protegido (por exemplo, com papel alumínio) e manter o pessoal e o equipamento a uma distância apropriada do fogo.
  3. Pese uma quantidade de petróleo bruto equivalente a uma mancha de óleo grossa de 5 mm no cilindro de vidro Pyrex (i.e., com base na densidade e um volume de 104 mL) em um prato de alumínio.
  4. Despeje o óleo cru na água dentro do cilindro de vidro Pyrex. Tenha cuidado para não derramar o óleo fora da parte inferior do cilindro derramando o óleo rápido demais. Pesar o prato de alumínio novamente e registrar o peso real do petróleo bruto derramado dentro do cilindro de vidro Pyrex.
  5. Lentamente, adicione água para o COFA até que a superfície da mancha de óleo é 1-2 mm abaixo da borda do cilindro de vidro Pyrex. Essa diferença de altura é importante para evitar que o óleo transborde sobre ignição.
  6. Ligue o exaustor de escape e a hélice. Então inflamar o petróleo usando uma tocha de butano e medir o tempo queimado desde o momento da ignição ao momento de extinção com um cronômetro.
  7. Depois que o fogo é extinto naturalmente, recolher o óleo restante na superfície da água (conhecida como o resíduo de queimadura) usando almofadas de absorção hidrofóbico com um peso conhecido. Sacuda a água recolhida antes da pesagem as almofadas para determinar o peso de resíduos. A eficiência de combustão é então calculada usando a EQ. (1) e a velocidade de combustão é calculada dividindo a diferença entre a massa inicial e a massa do resíduo no momento ardente (em segundos).
    Equation 1(1)
  8. Em casos onde o fogo resulta em um boilover, repita o passo de protocolo 4 por drenagem de água do COFA até a superfície da água é de novo um centímetro abaixo da borda de cilindro de vidro Pyrex. Limpe as bordas do cilindro vidro Pyrex com um solvente volátil, não-polares. Então reduzir a distância vertical entre a hélice e o cilindro de vidro Pyrex e/ou aumentar a posição do fluxo do hélice e repita os passos de protocolo 4.3 para 4,8.
  9. Em caso de incêndio não termina com um boilover, use a eficiência ardente calculada e a velocidade de combustão na etapa 4.7 para calibrar a água de resfriamento na configuração do cone.

5. calibração da refrigerar de água para a instalação de Cone (Figura 2 e Figura 3).

  1. Perfure um tubo de plástico flexível (identificação de 4 mm) a um centímetro da sua terminando com termopar tipo K espesso 1 mm, para que o talão do termopar é suspenso livremente no interior do tubo. Fixe o termopar com politetrafluoretileno (PTFE) fita e fita de alumínio para garantir que o termopar não se move e que não vaze água a punção. Conecte o termopar a um registrador de dados.
    1. Repita a etapa 5.1 para um tubo com um adaptador de tubo de aço inoxidável e inserir o termopar diretamente abaixo do adaptador de tubo.
  2. Colocar e fixar o primeiro tubo plástico com a extremidade com o termopar até ao fundo do reservatório de arrefecimento quanto possível. Conecte a outra extremidade do tubo para a entrada de uma bomba peristáltica com uma velocidade de fluxo ajustável.
  3. Conectar um novo tubo de plástico para a saída da bomba peristáltica e conecte a outra extremidade deste tubo de plástico para um adaptador de tubo de aço inoxidável. Conecte o adaptador de tubo com uma válvula de vedação por fole e conectar-se a válvula de vedação por fole para porta-amostras e cone. Certifique-se de que as conexões não vazar água usando fita PTFE entre as conexões quando necessário.
  4. Ligue a outra extremidade do porta-amostras cone para uma válvula de vedação por fole, que é conectada ao adaptador de tubo do tubo com um termopar abaixo do adaptador. A outra extremidade deste tubo é colocada e fixada na parte superior do reservatório de arrefecimento, para que a água escoada retorna para o reservatório de arrefecimento.
    Nota: Certifique-se que o tubo de saída e entrada tenham distância espacial suficiente no reservatório de água aquecida diretamente não é recirculada, mas Obtém a fresco para baixo no reservatório antes da recirculação.
  5. Coloque o suporte de amostra com os tubos conectados sob o calefator do cone. Ajuste a altura do titular para que a borda externa é de 23 mm do fundo do calefator do cone. Certifique-se de que os tubos são de comprimento suficiente para que o porta-amostras e facilmente pode ser colocado sob o calefator do cone, uma vez que o titular da amostra contém petróleo bruto.
  6. Encha o reservatório de arrefecimento com água desmineralizada e esfriar a água a uma temperatura escolhida (por exemplo,12 ° C). Abra as válvulas com vedação por fole e iniciar o fluxo de água através do porta-amostras em um fluxo escolhido (por exemplo, 7 L/h). Agite o titular para remover todo o ar restante do titular para que o titular fica completamente cheio com água.
  7. Inicie o data logger e monitorar continuamente a temperatura da água escoada e interior. Parar a bomba, uma vez que a temperatura da água escoada estabilizou (este é geralmente alguns graus acima da temperatura do reservatório conjunto), fechar as válvulas com vedação por fole e ligue o exaustor de escape.
  8. Coloque o suporte de amostra em uma escala de carga e tare a balança. Adicione uma quantidade de óleo para o porta-amostras que corresponde a uma espessura Lisa de 10mm (i.e., com base na densidade e um volume de 95 mL). Em seguida, abra as válvulas com vedação por fole e recomeçar a bomba.
  9. Coloque o porta-amostras cuidadosamente sob o calefator do cone e inflamar o óleo com uma tocha de butano. Medir o tempo queimado desde o momento da ignição ao momento de extinção com um cronômetro.
    Cuidado: Quando queima de óleos que contêm água, natural ou devido a emulsificação, um boilover pode ocorrer durante a queima (ver passo 4).
  10. Depois que o fogo é extinto, parar a bomba, fechar as válvulas, desconectar os tubos e coloque o suporte de amostra em uma escala de tarada. Registre o peso do porta-incluindo o resíduo de queimadura.
  11. Limpe qualquer resíduo de óleo queimado do suporte com um solvente volátil e não-polares. Pese o titular limpo novamente para determinar o peso do resíduo. Em seguida, calcular a eficiência de combustão e queimando tempo conforme descrito na etapa 4.7.
  12. No caso do ardor de eficiência e velocidade de combustão coincidir com os resultados da etapa de protocolo 4, a temperatura da água e o fluxo agora são calibrados e podem ser usados na etapa seguinte do protocolo. No caso do ardor de eficiência e velocidade de combustão não coincidir com os resultados da etapa de protocolo 4, escolha um novo reservatório de temperatura e/ou o fluxo de novo nesse sentido. Reconectar os tubos no suporte de amostra, abra as válvulas, acionar a bomba, agitar o titular para remover todo o ar e em seguida, repita as etapas 5.7-5.12.
    Nota: Pode não ser possível corresponder tanto a eficiência de combustão e a velocidade de combustão. Para efeitos do protocolo descrito, a eficiência de combustão é mais importante e deve ser combinada com a maior precisão possível. Ao testar vários óleos, a temperatura da água e o fluxo podem ser calibrados para qualquer um óleo, ou para cada óleo individualmente. Enquanto calibrando a temperatura da água e o fluxo para cada óleo individualmente pode simular o óleo queima na água com mais precisão, os resultados de tempo de atraso de ignição de vários óleos (etapa 6) podem ser mais facilmente comparado quando usando um fixo temperatura da água e fluem para cada experimento.

6. calibração do aquecedor de Cone (Figura 2-3).

  1. Calibre a correlação entre a temperatura do aquecedor de cone e o fluxo térmico saída usando um fluxo de calor Water-cooled manómetro com uma capacidade máxima de 100 kW/m2.
    1. Coloque uma bomba de aquário em um balde e encha o balde com água fria da torneira para que a bomba esta totalmente submersa.
    2. Conecte a bomba de aquário para o medidor de fluxo de calor com um tubo de plástico. Conectar um segundo tubo de plástico para o medidor de fluxo de calor e fixar a outra extremidade do tubo dentro da cubeta, ligeiramente acima da superfície da água, para que a água que flui fora do tubo pode ser facilmente observada. Ligue a bomba e certifique-se de que um fluxo constante de água está fluindo através o medidor de fluxo de calor.
    3. Ligue o exaustor de escape e aquecer o cone a 200 ° C. Coloque o medidor de fluxo de calor (para cima) 25 mm abaixo do centro do cone e conectar o medidor de fluxo de calor para o data logger. Iniciar o data logger, abrir as persianas, medir o fluxo de calor por 5-10 min, até que um fluxo de calor estável leitura é adquirido, impedir a aquisição de dados e fechar as persianas.
    4. Repita a etapa 6.1.3 a temperaturas de cone de 300, 400, 500, 600, 700, 720, 740, 760, 780 e 800 ° C.
  2. Determine as temperaturas de cone que correspondem aos fluxos de calor de 3-50 kW/m2 usando os pontos de dados medidos e assumindo uma correlação linear entre os pontos de dados.

7. inflamabilidade experimentos de petróleo bruto na configuração do Cone (Figura 2-3)

  1. No início de cada sessão de teste, cheque com o fluxo de calor avaliar se a temperatura de cone correspondente a um fluxo de calor de 10 kW/m2 ainda dá a leitura correta (± 5%). Em caso afirmativo, prossiga com o protocolo. Se não, repita a etapa 6 antes de continuar.
  2. No início de cada sessão de teste, ligue o exaustor de escape, ligar o analisador de gases e calibrar o analisador de gases de acordo com as especificações fornecidas pelo fabricante.
  3. Certifique-se de que, quando o titular da amostra é colocado sob o cone, há uma distância de 23 mm entre a parte inferior do cone e a borda externa do titular.
  4. Aquece o cone a uma temperatura correspondente a um fluxo de calor de 5 kW/m2.
    1. Entretanto, fixe o reservatório de água para a temperatura encontrada no passo 5, conectar os tubos de água para o porta-amostras, abra as válvulas e ligue a bomba com o caudal encontrado na etapa 5. Agite o porta-amostras para remover todo o ar preso dentro do titular. Inicie o data logger e monitorar a temperatura da água até a temperatura de água escoada se estabilizou.
    2. Uma vez que tanto o cone e o porta-amostras e estabilizar a suas respectivas temperaturas conjunto, parar a bomba, feche as válvulas do porta-amostras e desconectar os tubos das válvulas.
  5. Coloque o suporte de amostra em uma escala de carga e tare a balança. Adicione uma quantidade de óleo na temperatura de quarto para o porta-amostras que corresponde a uma espessura Lisa de 10mm (i.e., com base na densidade e um volume de 95 mL). Reconecte os tubos, abra as válvulas com vedação por fole e recomeçar a bomba.
  6. Inicie o data logger para o analisador de gases para medir concentrações de CO nos gases de combustão e a temperatura da água em e out flowing, o O2e CO2.
  7. Cuidadosamente coloque o suporte de amostra sob o cone e pronto dois cronómetros. Posicionem-se a ignição de faísca da amostra. Abra as persianas e iniciar o primeiro cronômetro.
  8. Em cima da ignição do óleo, simultaneamente parar o cronômetro primeiro e iniciar o segundo cronômetro. Mova o dispositivo de ignição de faísca volta para a posição neutra, longe da amostra ardente.
    1. Se o óleo não funcionar dentro de 10 min, parar o cronômetro primeiro e mudar o dispositivo de ignição de faísca de volta para sua posição neutra. Então inflamar o óleo usando uma tocha de butano e iniciar o segundo cronômetro.
      Cuidado: Quando queima de óleos que contêm água, natural ou devido a emulsificação, um boilover pode ocorrer durante a queima (etapa 4).
  9. Depois que o fogo é extinto, parar o cronômetro segundo, feche as persianas e impedir a aquisição de dados do analisador de gases e a temperatura da água de arrefecimento. Em seguida, parar a bomba, fechar as válvulas, desconectar os tubos e coloque o suporte de amostra em uma escala de tarada. Registre o peso do porta-incluindo o resíduo de queimadura.
  10. Limpe o porta de qualquer resíduo de óleo queimado com um solvente volátil e não-polares. Pese o titular limpo novamente para determinar o peso do resíduo. Em seguida, calcular a eficiência de combustão e queimando tempo conforme descrito na etapa 4.7.
  11. Para cada óleo que está a ser testado, repita as etapas 7.4-7.10 para fluxos de calor de 10, 20, 30, 40 e 50 kW/m2. Remova qualquer fuligem depositada sobre a serpentina de aquecimento cone após cada experimento.
    1. A fim de estabelecer que o mínimo exigido de fluxo de calor necessária para a ignição pilotada, ou seja, o fluxo de calor crítico, pode ser necessário testar fluxos de calor adicional. Repita as etapas de 7,4-7.10 para fluxos de calor diminuíram com incrementos de 1 kW/m2 do menor fluxo de calor na qual ignição piloto ocorreu até um fluxo de calor é testado para o qual for pilotada ignição não é observada dentro de 10 min. Então, o fluxo de calor crítico encontra-se dentro de um 1 kW/m2 intervalo superior deste fluxo de calor.
      Cuidado: Muito volátil óleos brutos de petróleo pode inflamar espontaneamente quando submetidas a muito elevado calor fluxos (≥ 40 kW/m2), mesmo quando as janelas do calefator do cone são fechadas.

8. superfície temperatura mediante experimentos de ignição de petróleo bruto na configuração do COFA (Figura 4).

  1. Coloque um 5cm alta Pyrex cilindro de vidro com uma identificação de 16,3 cm (O.D. de 16,9 cm) em um carrinho, com uma altura combinada de 35 a 45 cm, no centro do COFA (Figura 1). Coloque dois aquecedores de (IR) infravermelhos montados sobre sapatas de aço inoxidável ajustáveis em dois lados opostos do cilindro de vidro Pyrex a uma distância horizontal de pelo menos 5 cm da borda exterior do cilindro.
    Nota: As especificações precisas e dimensões dos aquecedores IR são irrelevantes, enquanto eles podem fornecer um fluxo de calor suficientemente elevado para a superfície do óleo para inflamar o óleos brutos de petróleo, que geralmente requer 5-20 kW/m2 para a ignição. Uma potência mínima de 1 kW e mínimo aquecedor largura 17 cm são aconselhados. Quaisquer sistemas de resfriamento dos aquecedores IR, tais como ventiladores de ar, devem além disso não interagir com a mancha de óleo durante o experimento.
  2. Para medir a temperatura da superfície em cima da ignição de um petróleo bruto, um incidente, aconselha-se o fluxo de calor de 2-5 kW/m2 mais elevado do que o fluxo de calor crítico (etapa 7.11.1).
    1. Preparar um medidor de fluxo de calor2 100 kW/m de acordo com passos 6.1.1-6.1.2 e ligue o medidor de fluxo de calor para um agente de log de dados. Indicador de lugar o fluxo de calor no centro do cilindro de vidro Pyrex, virada para cima, a uma altura de 1-2 mm abaixo da borda superior do cilindro. Superfície horizontal, a esta altura dentro do pirex de vidro cilindro é daqui em diante referido como "o plano horizontal". Este plano horizontal corresponde à superfície de uma poça de óleo dentro do cilindro de vidro Pyrex.
      Nota: Certifique-se que o medidor de fluxo de calor pode ser livremente movido no plano horizontal para que pode medir o fluxo de calor incidente em vários locais do plano horizontal. O pirex de vidro cilindro somente funções como auxílio visual para colocar corretamente o fluxo de calor calibre plano horizontal, assim se necessário, o cilindro de Pyrex pode ser removido durante a etapa de 8,2.
    2. Iniciar o data logger, ligar os aquecedores de IR e monitorar o fluxo de calor incidente no centro do plano horizontal. Ajuste o fluxo de calor incidente ao plano horizontal, ajustando a localização espacial dos calefatores do IR (altura, ângulo e distância horizontal entre o plano horizontal) e sua porcentagem de saída de energia até que o fluxo de calor incidente desejada é obtido.
    3. Medir o fluxo de calor incidente nas bordas exteriores do plano horizontal. Em todos os locais, o fluxo de calor incidente deve ser de 2-5 kW/m2 mais elevado do que o fluxo de calor crítico do óleo que será testado. Ajuste a localização e a porcentagem de saída potência dos aquecedores IR de acordo com a etapa anterior, se necessário.
    4. Após cada ajuste da saída de localização e poder dos calefatores do IR, medir o fluxo de calor incidente ao plano horizontal em seu centro e nas bordas exteriores.
    5. Repita etapas 8.2.2-8.2.5 até o fluxo de calor incidente medido ao longo do plano horizontal é 2-5 kW/m2 mais elevado do que o fluxo de calor crítico do óleo selecionado. Em seguida, desligar os aquecedores de IR e remova o medidor de fluxo de calor. Coloque o cilindro de vidro Pyrex novamente no seu stand, se necessário.
  3. Encha o COFA com água fresca (340-440 L) para que o nível da água é um centímetro abaixo da borda do cilindro de vidro Pyrex. Coloque uma hélice em um dos lados do COFA directamente em frente do cilindro de vidro Pyrex na altura encontrada na etapa 4.
  4. Colocar e fixar um conjunto de três termopares de K-Type espessura de 1 mm a 1-2 mm abaixo da borda do cilindro de vidro Pyrex. Organize os termopares para que medem ao longo do raio do cilindro, com uma distância de cerca de 1-2 cm entre cada termopar. Os termopares Conecte um registrador de dados.
  5. Anexe um dispositivo de ignição de faísca com um grampo de metal de uma haste de metal em um carrinho de metal que fica no COFA. Coloque o suporte para que o dispositivo de ignição pode facilmente ser movido de uma posição neutra para uma posição 2-3 cm acima da área central do cilindro de vidro Pyrex e volta à posição neutra novamente.
  6. Pese uma quantidade de petróleo bruto equivalente a uma 5 mm espessura mancha de óleo no cilindro de vidro Pyrex (i.e., com base na densidade e um volume de 104 mL) em um prato de alumínio.
  7. Despeje o óleo cru na água dentro do cilindro de vidro Pyrex. Tenha cuidado para não derramar o óleo fora da parte inferior do cilindro derramando o óleo rápido demais. Pesar o prato de alumínio novamente e registrar o peso real do petróleo bruto derramado dentro do cilindro de vidro Pyrex.
  8. Lentamente, adicione água para o COFA até a superfície do óleo só entra em contacto com os três termopares. Mova o dispositivo de ignição de faísca para a posição acima o óleo.
  9. Inicie o data logger e um cronômetro em sincronia para que cada segundo corresponda a um número específico de varredura. Ligue o exaustor de escape, a hélice e o dispositivo de ignição de faísca. Ligue os aquecedores de IR e definir a potência de saída para a porcentagem encontrada no passo 8.2.
  10. Em cima da ignição do óleo, parar o cronômetro e dados logger, desligue a ignição de faísca e movê-lo para a posição neutra e desligue os calefatores do IR e da hélice. Então, apague o fogo, com cuidado, colocando uma cobertura incombustíveis sobre o cilindro de vidro Pyrex. Apagando o fogo pode exigir os termopares para ser movido primeiro.
  11. Coletar e dispor de petróleo bruto com almofadas de absorção hidrofóbicas. Drene a água do COFA até o nível da água é baixo o suficiente para medir o fluxo de calor incidente ao plano horizontal novamente com um medidor de fluxo de calor. Limpe o cilindro de vidro Pyrex com um solvente volátil e não-polares.
  12. Traça a temperatura dos termopares a três em função do número de varredura. Baseado no tempo sobre o cronômetro, o número de verificação correspondente e o gráfico plotado, determinam a temperatura de superfície após a ignição do petróleo bruto testado.
  13. Para cada óleo adicional que será testado, repita as etapas 8.2-8.12.

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Representative Results

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A Figura 5 mostra a curva de evaporação de um petróleo bruto leve que foi evaporado ao longo de vários dias para uma perda de 30% em peso usando o método descrito na etapa 2. A figura mostra claramente que após o primeiro dia (19 h) de intemperismo por evaporação, a taxa de evaporação é significativamente reduzida, o que permite pausas como mencionado no protocolo.

A Figura 6 mostra o tempo de atraso de ignição em função do fluxo térmico incidente do aquecedor cone (passo 7, Figura 2-3) de Grane fresco (um petróleo bruto pesado) e evaporado Grane com perdas de 7% em peso. Os resultados dê um exemplo dos tempos de atraso de ignição aumento para evaporada óleos brutos de petróleo. Além disso, o fluxo de calor crítico, representado pelas assíntotas verticais, também aumenta em função das perdas por evaporação. Globalmente, estes resultados dão uma impressão de força e exposição duração que uma fonte de ignição precisa ter para inflamar estes diferentes tipos de óleos em bruto. Adicionais resultados obtidos com o protocolo descrito neste documento podem ser encontrados em Van Gelderen, Rojas Alva, et al. 32

Uma típica apresentação do tempo de atraso de ignição como uma função do fluxo térmico incidente é mostrada na Figura 7. Manchas de petróleo bruto, normalmente, comportam-se como materiais termicamente grossos e o tempo de atraso de ignição (tig) então pode ser descrito pela EQ. (2)19,32.

Equation 2(2)

Aqui, k é a condutividade térmica, ρ a densidade, c o coeficiente de calor específico, Tig a temperatura da superfície em cima da ignição, T a temperatura ambiente (considerada 20 ° C), um a absorvência, e Equation 3 o fluxo de calor incidente. Reescrever esta equação dá o tempo de atraso de ignição como uma função linear do fluxo térmico incidente (EQ. 3).

Equation 4(3)

Plotando-se o tempo de atraso de ignição sob a forma de 1 /Equation 5 em função do fluxo térmico incidente, os dados devem mostrar uma linha de tendência linear e como tal permitem avaliar a validade dos dados. Além disso, as encostas das linhas de tendência para diferentes óleos brutos de petróleo dão uma indicação das suas inércias térmicas relativas (kρc), porque quanto menor a inclinação, mais difícil é para aquecer uma petróleo bruto (e assim inflamar).

Os resultados para Grane evaporada (Figura 7) dar um bom exemplo de um conjunto de dados que se encaixa com a sua linha de tendência linear, com um valor de2 R de 0.991. Por outro lado, os resultados para fresco Grane claramente começam a desviar-se da tendência linear no mais elevados fluxos de calor (30 kW/m2). Esse comportamento é provavelmente causada pelos tempos de atraso de ignição extremamente curto (< 10 s) em tais fluxos de calor elevado para este tipo de combustível volátil. Grane fresca, semelhante a outros óleos em bruto frescos, contém uma quantidade elevada de componentes voláteis que inflamam muito rapidamente sob fluxos de calor incidente elevado. Uma das suposições subjacentes EQ. (2) que é o tempo que leva para os gases combustíveis de evaporação de combustível para misturar com o oxigênio e alcançar o dispositivo de ignição de faísca é negligenciável33. Com tempos de atraso de ignição de menos de 10 segundos, no entanto, este tempo de mistura, que é estimado para ser da ordem de alguns segundos, se tornar um contribuinte significativo para o tempo de atraso de ignição. Equação (2) Então não é mais válida com estes tempos de atraso de ignição curto, e, portanto, os dados afasta-se da linha de tendência linear. Ao estudar a inflamabilidade dos óleos em bruto muito volátil, esse comportamento deve, portanto, ter em conta quando se analisa os dados de tempo de atraso de ignição.

A Figura 8 mostra as taxas de liberação de calor em função do tempo para um petróleo leve fresco e um petróleo emulsionado luz (preparado de acordo com as etapas 2-3). As taxas de liberação de calor são calculadas com o O2, CO2e medições de concentração de CO do analisador de gases (passo 7) de acordo com a EQ. (26) de Janssens34. Consulte o Documento complementar , para obter mais detalhes sobre esses cálculos. O óleo cru fresco mostra um perfil de taxa de liberação de calor típico de uma taxa de liberação de calor lentamente diminuindo ao longo do tempo, que é representante de todos os óleos em bruto que não contêm qualquer água. O petróleo bruto emulsionado mostra um bom exemplo do poder explosivo do fenômeno boilover, com uma taxa de liberação de calor que aumenta rapidamente até um fator de cinco vezes maior do que a fase regular queima antes de boilover. Boilovers são fenômenos altamente irregulares, porém, e o tempo de ocorrência, duração e intensidade dependem a estabilidade e a porcentagem do volume da água dentro do petróleo bruto.

A Figura 9 mostra a eficiência de combustão e velocidade de combustão em função do fluxo térmico incidente para um petróleo leve fresco e um óleo pesado e evaporado com perdas de 7% em peso. A velocidade de combustão e a eficiência de combustão aumentam com o aumento do fluxo de calor incidente para ambos os tipos de petróleo bruto. Em fluxos de calor baixo, a eficiência de combustão mostra uma diferença significativa entre o crude luz fresca e o petróleo pesado evaporado. No mais elevados fluxos de calor, as chamas eficiências para estes óleos convergem para valores semelhantes, que é um comportamento típico para todos os tipos de petróleo fresco e resistiu. A velocidade de combustão não mostra esta tendência convergente para óleos diferentes, porque o tempo de queimado também se altera em função do fluxo térmico incidente, que pode ser diferente para cada tipo de óleo. Para óleos em bruto contendo água, a fração de água deve em princípio não ser contabilizada ao calcular a eficiência de combustão e a velocidade de combustão, porque é um material incombustível. No entanto, a água evaporar durante a queima e o aparecimento de boilover mais complica eficiência ardente e estimativas de taxa ardente como ele impulsiona gotículas de óleo e água do combustível. Como tal, óleos emulsionados em bruto, portanto, pode exibir os dados mostrados, por exemplo na Figura 9, os desvios e deve ter cuidado ao analisar eficiência ardente e resultados de taxa ardente de óleos brutos de petróleo que contém água.

A Figura 10 mostra a temperatura de dois termopares na superfície de combustível em função do tempo para um petróleo leve evaporado com perdas de 20% em peso na configuração do COFA (passo 8, Figura 4). O resultado mostra um claro aumento da temperatura após 178 s. Bem antes deste momento, a temperatura da superfície do petróleo bruto é 129 ° C como medido por dois termopares, que é a temperatura da superfície em cima da ignição. Em combinação com os resultados de tempo de atraso de ignição para este óleo (passo 7), EQ. (2) então pode ser usado para calcular a inércia térmica para o óleo. A tabela 1 mostra os valores de inércia térmica para este petróleo evaporado luz com base na sua temperatura de superfície após a ignição a 129 ° C e seus tempos de atraso de ignição em função do fluxo térmico incidente. Wu, et al. 19 descobriu que a absorvência não poderia ser definida como unidade de óleos crus e este termo, portanto, foi incluído nos cálculos de inércia térmica. Valores de literatura da inércia térmica para óleos brutos de petróleo para fins de comparação podem ser encontrados em Wu, et al. 19 e Ranellone, et al. 20

Figure 1
Figura 1 : Esquemas da instalação do COFA. Os esquemas incluem uma visão detalhada do cilindro de vidro Pyrex em seu estande (à esquerda), uma vista superior do COFA (médio) e uma vista secional transversal da instalação completa (à direita). Além disso, um conjunto de três grandes planos (a-c) mostram o processo de enchimento de COFA que corresponde ao protocolo as etapas 4.1 (a), 4,4 (b) e c (4,5). Configuração do COFA é usada na etapa 4 para determinar os pontos de calibração da queima da eficiência e da velocidade de combustão de um petróleo bruto para a instalação do cone. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2 : Total visão geral esquemática da instalação do cone (não em escala). A instalação consiste em um aquecedor de cone com uma unidade de controle, um porta-amostras cone feito sob medida, uma bomba peristáltica e reservatório e aspirante com um analisador de gás de refrigeração de água. As plantas também possuem um close-up da colocação dos tubos de água (etapa 5.1) termopar. Esta configuração é usada na etapa 7 para estudar a inflamabilidade dos óleos crus. Observe que não há nenhum contacto directo entre o óleo e a água de resfriamento nesta instalação, como eles são separados pelo suporte de metal. Detalhes do porta-amostras cone são dadas na Figura 3. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3 : Esquema detalhado de seção transversal do porta-amostras circular da instalação do cone. As bordas do metais evitar que o óleo transborde sobre ignição e são um ângulo 30° da mancha de óleo para minimizar a re-radiação. Este suporte de amostra do cone é usado na etapa 7 para estudar a inflamabilidade dos óleos crus. Observe que não há nenhum contacto directo entre o óleo e a água de resfriamento nesta instalação, como eles são separados pelo suporte de metal. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4 : Esquemas do COFA setup para estudar a temperatura superficial do petróleo bruto em cima da ignição. A planta mostra uma vista superior (à esquerda) e vista transversal (à direita) e a instalação inclui Aquecedores infravermelhos (IR), um dispositivo de ignição de faísca e um conjunto de três termopares para medir a temperatura de superfície da mancha de óleo (passo 8). Detalhes adicionais da instalação do COFA são mostrados na Figura 1. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5 : Perdas por evaporação de um petróleo bruto leve (DUC) como uma função do tempo. Os dados foram obtidos usando o método de propagação de ar descrito na etapa 2 e mostram claramente uma taxa de evaporação reduzida após o primeiro dia (19 h).

Figure 6
Figura 6 : Resultados de tempo de atraso ignição em função do incidente de calor de fluxo para uma nova e evaporado (perda de 7% em peso) petróleo pesado (Grane). Estes dados foram obtidos usando a configuração de cone (Figura 2) de acordo com o protocolo na etapa 7. As assíntotas verticais mostram o fluxo de calor crítico (4 e 7 kW/m2) dentro de um intervalo de superior 1 kW/m2 . As barras de erro indicam um intervalo de dados com base em experiências de 2-3.

Figure 7
Figura 7 : Resultados de tempo de atraso ignição em função do incidente de calor de fluxo para uma nova e evaporado (perda de 7% em peso) petróleo pesado (Grane). Estes dados foram obtidos usando a configuração de cone (Figura 2), de acordo com o protocolo na etapa 7 e processado com EQ. (2). Os resultados indicam que a Grane evaporada tem uma maior inércia térmica do que fresco Grane, como esperado. Além disso, o gráfico mostra como, para voláteis óleos brutos em fluxos de calor incidente alta, atraso de ignição muito curto vezes (< 10 s) pode desviar-se da linha de tendência linear. As barras de erro indicam um intervalo de dados com base em experiências de 2-3.

Figure 8
Figura 8 : Taxa de liberação de calor em função do tempo para um luz fresco petróleo e petróleo emulsionado luz com perdas de 40% em peso e contendo 40% vol. de água evaporou-se. Os dados foram obtidos a partir da configuração de cone (Figura 2) pelo processamento das medições de concentração de CO do analisador de gases (passo 7) de acordo com a EQ. (26) de Janssens34, o O2e CO2. O óleo cru fresco mostra um perfil de taxa de liberação regular de calor para óleos brutos sem água o conteúdo. O petróleo emulsionado luz resultou em um boilover no final da queimadura e seu perfil de liberação de calor dá uma indicação da intensidade de um boilover em comparação com um fogo de petróleo regular.

Figure 9
Figura 9 : Taxa de eficiência de queima e queima em função do fluxo térmico incidente para um petróleo leve fresco (DUC) e um evaporada petróleo bruto pesado com perdas de 7% em peso (Grane 7%). Os dados foram obtidos na configuração do cone (Figura 2) de acordo com a etapa 7 e mostram como as eficiências ardentes de tipos diferentes de óleo cru convergem em fluxos de calor incidente elevado. Todos os pontos de dados tinham um erro máximo de 2,5% de médias mostradas.

Figure 10
Figura 10 : Temperatura de superfície em função do tempo para dois termopares durante um experimento de ignição no COFA com petróleo evaporado luz com perdas de 20% wt. Os dados foram obtidos na configuração do COFA (Figura 4), de acordo com o protocolo na etapa 8. O aumento repentino na temperatura após 178 s indica o momento da ignição. O direito de temperatura antes este pico de temperatura repentina mostra a temperatura da superfície em cima da ignição.

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

Tabela 1: tempos de atraso de ignição e inércia térmica correspondente em função do incidente de calor de fluxo para um petróleo leve evaporado com perdas de 20% em peso. A inércia térmica é calculada usando a EQ. (2), com base nos dados de tempo de atraso de ignição obtidos na etapa 7 e a temperatura da superfície em dados de ignição na etapa 8.

Documento complementar Por favor clique aqui para baixar este documento

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Discussion

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Os dois métodos de intemperismo discutidos neste artigo são uma aproximação relativamente simples os processos de intemperismo que um óleo derramado sobre a água é submetido a17. Outros, mais métodos sofisticados de intemperismo também podem ser usados para fornecer amostras resistidas petróleo bruto, como o canal da circulação, descrito por Brandvik e Faksness35. A vantagem dos métodos apresentados é que eles exigem equipamento simples e podem ser facilmente realizados em um ambiente de laboratório. Os óleos em bruto resultantes resistidos então são funcionais para efeitos da inflamabilidade e estudos de eficiência ardente no presente protocolo, conforme demonstrado na seção de resultados de representante.

Uma das principais limitações no protocolo é a calibração da água de refrigeração para a instalação do cone (passo 5). A questão é que não há nenhum dado de referência disponível em situ queimando experimentos de campo na mesma escala e sob condições semelhantes, como a configuração do cone. Existem, além disso, não modelos de transferência de calor prontamente disponível que podem ser usados na prática para determinar o equilíbrio de calor entre uma queima de petróleo e sua camada de sub água fluindo. A água refrigerando calibração, portanto, tem de se basear em dados experimentais da configuração do COFA (passo 4). Como mencionado no protocolo, a calibração pode então ser conduzida para qualquer único óleos ou para cada óleo separadamente. Sem dados de referência ou um modelo de transferência de calor apropriado, é impossível saber qual desses métodos, se houver, dá uma representação correta do equilíbrio térmico para em situ queima de óleo cru na água.

O balanço de calor na configuração do cone é ainda mais complicado sujeitando o petróleo de um fluxo de calor externo, que também pode afetar a capacidade de refrigeração da água que flui através do porta-amostras e cone. Durante a queima de um petróleo bruto sob o calefator do cone, a água escoada aumenta de temperatura ao longo do tempo, a medida de que depende o fluxo de calor incidente. Para o fluxo de calor incidente máxima de 50 kW/m2, a água ainda observou-se para estar fervendo, como vapor saiu a saída de água. Desconhece-se no momento em que medida a água de resfriamento é diretamente aquecida por aquecedor o cone (e não o óleo ardente) e se ele tem um efeito significativo sobre os resultados. Somente através de um extenso estudo experimental empírico, seria possível otimizar a água refrigerando de calibração para todos os fluxos de calor incidente testado e para cada tipo de óleo testado. Apesar desses problemas, implementando a água de resfriamento na configuração do cone, sem dúvida, melhorou a capacidade da instalação do cone para representar em situ condições de queima. Experimentos preliminares com um porta-amostra sem refrigerar de água não conseguiram reproduzir as eficiências de combustão baixas observaram no COFA e não poderiam ser usados para representar a em situ queima de petróleo bruto. A limitação discutida, portanto, não é uma questão de se o atual cone configuração representa em situ queimando as condições do óleo cru na água, mas em que medida corretamente representa nessas condições. Tanto quanto estamos conscientes, ao procedimento laboratorial apresentado é, apesar dessa limitação, atualmente o método mais realista para estudar a inflamabilidade e a eficiência de queima de em situ queima de óleo cru na água.

Um passo crítico no protocolo é a medição da temperatura da superfície em cima da ignição na configuração do COFA (passo 8). É muito importante que, quando a hélice estiver ativada, a superfície da mancha de óleo dentro do cilindro de vidro Pyrex é como ainda como pode ser. Se a superfície do óleo é muito em movimento (vertical), a localização e o fluxo da hélice (passo 4) devem ser ajustados para reduzir a turbulência na superfície do óleo. Sem uma superfície de óleo ainda, torna-se muito desafiador para medir com precisão a temperatura de superfície após ignição na etapa 8. A escolha dos calefatores do IR também é crucial para o sucesso desta etapa. Durante o desenvolvimento do presente protocolo, verificou-se que os calefatores do IR precisam ter uma radiação muito alta, de saída, sendo o mais compacto possível e ter um sistema de refrigeração que não interfere com as medições de temperatura. Assim, é importante selecionar cuidadosamente um conjunto de aquecedores de IR para a configuração do COFA na Figura 4. Idealmente, os calefatores do IR precisam ser capaz de fornecer que um fluxo de calor pelo menos 15 kW/m2 em distâncias muito mais do que 5 cm do cilindro de vidro Pyrex. Isto permitiria usando os calefatores do IR quando o petróleo se queimar. A eficiência de queima de óleos brutos de petróleo então pode ser testada em função de um fluxo de calor incidente em uma instalação experimental que melhor representa em situ condições de queima.

Ainda mais melhorias para a representação em situ queima condições durante a inflamabilidade e ardente experimentos de eficiência poderiam ser feitas através de várias modificações ou adições para as configurações do COFA e cone. Atualmente, as experiências são conduzidas sob condições ambientais muito calmas. Ficou demonstrado por em situ queima estudos de campo, no entanto, que as ondas e vento também podem afetar a inflamabilidade do óleo cru5,21,36,37. Para simular tais condições, o COFA por exemplo podia ser equipado com uma máquina de onda e fãs que criam um vento sobre a superfície da água. Climas mais frios podem ser simulados usando um meio mais frio refrigeração na configuração do cone, semelhante ao Ranellone, et al. 20, ou adicionando gelo ao corpo de água no COFA. Finalmente, a espessura inicial das manchas de petróleo bruto pode ser variada nos experimentos, porque este também é um parâmetro conhecido por influenciar a inflamabilidade e a eficiência de queima de óleos brutos de petróleo5,22.

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Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

Os autores gostaria de agradecer ao Conselho dinamarquês de investigação independente para o financiamento do projeto (Grant DDF - 1335-00282). COWIfonden financiou a construção do aparato de inflamabilidade de petróleo bruto e o analisador de gases, incluindo a inserção do duto. Maersk Oil e Statoil forneceram os óleos em bruto que foram usados para os resultados representativos. Nenhum dos patrocinadores estiveram envolvidos em protocolo ou os resultados deste trabalho. Os autores também gostaria de agradecer Ulises Rojas Alva para obter assistência com construção de porta-amostras cone modificados.

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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Procedimento experimental para estudos de laboratório de <em>In Situ</em> ardente: inflamabilidade e eficiência de queima de petróleo bruto
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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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