Procedimiento experimental para estudios de laboratorio de In Situ combustión: inflamabilidad y la eficiencia de quema de petróleo crudo

Summary

Aquí, presentamos un protocolo para estudiar simultáneamente la inflamabilidad y la eficacia ardiente de crudo fresco y resistido en condiciones que simulan en situ quema las operaciones en el mar.

Abstract

Se presenta un nuevo método para el estudio simultáneo de la inflamabilidad y la eficacia ardiente de crudo fresco y degradado a través de dos configuraciones de laboratorio experimental. Los experimentos son fácilmente repetibles en comparación con experimentos de la escala operativa (piscina diámetro ≥ 2 m), mientras que todavía ofrece bastante realista en situ combustión condiciones de petróleo crudo en el agua. Condiciones experimentales incluyen una sub-capa que fluye del agua que enfría la mancha de aceite y un flujo de calor externo (hasta 50 kW/m²) que simula la mayor regeneración de calor a la superficie del combustible en escala operativa crudo piscina incendios. Estas condiciones permiten un estudio de laboratorio controlados de la eficacia ardiente de incendios de la piscina de crudo que equivalen a los experimentos de la escala operativa. El método también proporciona datos cuantitativos sobre los requisitos de encendido crudos en el flujo de calor crítico, tiempo de retardo de encendido en función de la temperatura de la superficie en ignición y el flujo de calor incidente y la inercia térmica. Este tipo de datos puede utilizarse para determinar la fuerza necesaria y la duración de una fuente de ignición para encender un determinado tipo de petróleo crudo fresco o resistido. La principal limitación del método es que el efecto de enfriamiento del agua que fluye del capa en el petróleo crudo ardiente como una función del flujo de calor externo no se ha cuantificado totalmente. Resultados experimentales mostraron claramente que el subnivel de fluir agua mejorar como representante esta configuración es en situ combustión condiciones, pero hasta qué punto esta representación es exacta es actualmente incierto. El método sin embargo cuenta con la más realista en situ quema en condiciones de laboratorio actualmente disponibles para estudiar simultáneamente la inflamabilidad y combustión eficacia de petróleo crudo en el agua.

Introduction

In situ la quema del crudo derramado en el agua es un método de respuesta de derrames de aceite marino que elimina el aceite derramado de la superficie del agua quema y convirtiéndola a hollín y a productos gaseosos de la combustión. Este método de respuesta fue aplicado con éxito durante el Exxon Valdez¹ y derrames de petróleo de Deepwater Horizon² y regularmente se menciona como un método potencial de respuesta de derrame de aceite para el Ártico^{3,4,5 ,6}. Dos de los parámetros clave que determinan si en situ quema de aceite será exitosa como un método de respuesta de derrames son la inflamabilidad y la eficacia de combustión del aceite. El primer parámetro, inflamabilidad, describe cómo un combustible puede ser encendido y fácilmente puede conducir a la propagación de la llama sobre la superficie del combustible a provocar un incendio completamente desarrollado. El segundo parámetro, quema de eficacia, expresa la cantidad de aceite (en % de peso) que efectivamente se elimina de la superficie del agua por el fuego. Así es relevante para entender la inflamabilidad y la eficacia ardiente esperada de diferentes crudos bajo en situ combustión condiciones.

Manchas de la ignición del aceite sobre el agua para en situ quema propósitos comúnmente se aborda como un problema práctico, con discusiones cualitativas encendido sistemas^5,7,8,9. El enfoque práctico de la ignición de derramado aceite como un problema binario y etiquetado aceites “inflamable” o “no inflamable” (p. ej. Brandvik, Fritt-Rasmussen, et al. ¹⁰), sin embargo, es incorrecto desde un punto de vista fundamental. En teoría, puede ser encendido cualquier combustible dada una fuente de ignición adecuada. Por lo tanto es pertinente cuantificar los requisitos de encendido para una amplia gama de tipos diferentes de petróleo crudo para comprender mejor las propiedades de un aceite crudo que lo identificarían como “no inflamable”. Para ello, puede utilizarse el método desarrollado para estudiar el tiempo de retardo de encendido de un aceite en función del flujo de calor incidente, el flujo de calor crítico del aceite y su inercia térmica, es decir, lo difícil es para calentar el aceite.

En un estudio anterior, postulamos que el parámetro principal que rige la eficacia ardiente es la regeneración de calor a la superficie combustible¹¹, que es una función del diámetro de la piscina. La teoría explica la dependencia de tamaño aparente de la piscina de la eficiencia de combustión basada en estudios de laboratorio sobre ardiente baja eficiencia (32-80%)^8,12,13 y estudios de gran escala (piscina diámetro ≥ 2 m) Reporte quema alta eficacia (90-99%)^14,15,16. El método discutido en este documento fue diseñado para probar la teoría propuesta. Por someter a experimentos de laboratorio a pequeña escala a un flujo constante de calor externo, se puede simular la mayor regeneración de calor para piscina incendios de gran escala bajo condiciones controladas de laboratorio. Como tal, el método desarrollado permite estudiar la eficacia ardiente con eficacia en función del diámetro variando el flujo de calor externo.

Además de un flujo de calor externo para simular la escala mayor de in situ combustión operaciones, la característica de configuraciones experimentales de enfriamiento de la mancha de aceite por un flujo de agua fría, simulando el efecto de enfriamiento del mar actual. El método discutido además es compatible con aceites crudos frescos y resistidos. La intemperización del petróleo crudo describe el proceso físico y químico que afectan un crudo una vez que se ha derramado en el agua, como las pérdidas de sus componentes volátiles y mezcla con el agua en emulsiones agua en aceite de forma (por ejemplo, AMAP,¹⁷). Evaporación y emulsificación son dos de los procesos de erosión principales que afectan la inflamabilidad de crudos¹⁸ y protocolos para simular estos procesos de erosión por lo tanto se incluyen en el método discutido.

Adjunto, presentamos un método novedoso laboratorio que determina la inflamabilidad y la eficacia ardiente de crudo bajo condiciones que simulan en situ quema las operaciones en la mar. Estudios previos sobre la inflamabilidad y la eficacia ardiente de crudos destacados comparables y diferentes métodos. La inflamabilidad de crudos frescos y degradados en función de un flujo de calor externo se estudió el agua¹⁹ y bajo temperaturas árticas²⁰. Estudios de eficiencia de combustión normalmente se centran en diferentes tipos de fresco y resistido aceites crudos y las condiciones ambientales a una escala fija (por ejemplo, Fritt-Rasmussen, et al. ⁸Bech, Sveum, et al. ²¹). un estudio reciente sobre la quema de aceites crudo de pastores química es, al conocimiento de los autores, el primero en estudiar la eficiencia de combustión para pequeño, intermedio, y los experimentos a gran escala bajo condiciones similares¹³. Los experimentos a gran escala son, sin embargo, no disponible para estudios paramétricos, debido a la gran cantidad de tiempo y recursos necesarios para llevar a cabo tales experimentos. La ventaja principal del método presentado sobre los estudios anteriormente mencionados es que permite al mismo tiempo estudiando ambos la inflamabilidad y combustión eficacia de crudo bajo condiciones semi realistas. La combinación de estudiar estos dos parámetros de crudos en función de tipos de aceite diferentes y el diámetro de la piscina (simulado) a través de experimentos repetibles fácilmente era ya inviable en la práctica.

Protocol

Este protocolo hace uso de dos diferentes configuraciones experimentales que se utilizan en los pasos 4-8, como se muestra en los esquemas adjuntos. La primera configuración es el petróleo crudo inflamabilidad aparato (COFA) (figura 1 y figura 4), que es un 1.0 × 1.0 × 0,50 m3 cuenca metal diseñada para llevar a cabo a pequeña escala en situ quema de petróleo crudo de experimentos, como se muestra por ejemplo Van Gelderen, Brog…

Representative Results

La figura 5 muestra la curva de evaporación de un crudo ligero que se evaporó durante varios días para una pérdida de 30% de peso con el método descrito en el paso 2. La figura muestra claramente que después del primer día (19 h) de envejecimiento por evaporación, la tasa de evaporación se reduce significativamente, que permite pausas como se menciona en el protocolo. F…

Discussion

Los dos métodos de envejecimiento discutidos en este documento son una aproximación relativamente simple de los procesos de meteorización que un aceite derramado en el agua se somete a¹⁷. Otros, más atmosféricos sofisticados métodos también pueden utilizarse para proporcionar muestras de petróleo crudo degradado, como el canal de circulación descrito por Brandvik y Faksness³⁵. La ventaja de los métodos actuales es que requieren equipos sencillos y pueden realizars…

Materials

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