قصة نجاح العميل
الكيمياء فوق الجزيئية: من التحكم في الرائحة إلى تحسين استخلاص النفط: كيف يمكن لمقاييس الانسيابية NETZSCH المساعدة
تقرير ميداني من إعداد أندرو هاو
"أنا أندرو هاو، عالم غرواني صناعي/صياغة/عالم مادة لينة استمتع بالعمل مع أجهزة قياس الانسيابية NETZSCH ، وأسلافها المباشر مالفيرن وبوهلين منذ عام 1988.
وقد أثبتت مقاييس الانسيابية أنها لا تقدر بثمن في تصميم المواد لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة في عمليات التصنيع والأداء الأمثل للمنتج النهائي. لقد استخدمت بيانات قياس الريومترية عند صياغة عمليات الطلاء والتجفيف السريعة والفعالة في صاحب العمل السابق، شركة Kodak، ولتحسين إزاحة السوائل في الأشكال الهندسية المسامية في شركة Schlumberger.
أعمل اليوم في Aqdotوهي شركة نشأت في جامعة كامبريدج عام 2013. تعمل شركة Aqdot على تسويق تقنية الكيمياء فوق الجزيئية عن طريق الكوكوربيتوريل (أو "CBs")، وهي جزيئات حلقية كبيرة الحجم تعد "مضيفات" فوق جزيئية فعالة وفريدة من نوعها. تربط "CBs" بشكل غير تساهمي مجموعة واسعة من "الضيوف"، خاصةً الأصناف الكارهة للماء والحمضية والقاعدية والقطIonic.
وقد تم إجراء الكثير من العمل الأكاديمي على متجانسات اتفاقية التنوع البيولوجي (اتفاقية التنوع البيولوجي[6] واتفاقية التنوع البيولوجي[7] واتفاقية التنوع البيولوجي[8]) ولكن المواد لم تكن متاحة إلا على نطاق الجرام - وحتى ذلك الحين فقط بتكلفة كبيرة - حتى الآن."
التحكم المبتكر في الروائح الكريهة على نطاق Large
"لقد قامت شركة Aqdot بتوسيع نطاق تصنيع مركبات الكربون الهيدروكلورية فلورية إلى مقياس متعدد الأطنان والسوق الفوري large لهذه المادة هو إزالة الروائح الكريهة والمركبات العضوية المتطايرة. تتيح هذه التقنية ربط الجزيئات من مجموعة من الأحجام والخصائص الجزيئية المختلفة.
ويتمثل نهج شركة Aqdot في ترخيص وتوريد منتجاتها وأسواقها النشطة بما في ذلك منتجات العناية المنزلية والشخصية والمنسوجات والبلاستيك، وخاصة في تطبيقات السيارات. ومن نتائج العمل في العديد من الأسواق أن المنتجات يجب أن تُدرج "بسلاسة" في العديد من أنواع التركيبات، وتعد القياسات الريولوجية دليلاً ممتازًا على مدى نجاحنا، حيث توفر أدلة على المجالات التي يمكن أن نجري فيها تعديلات، إذا لزم الأمر.
يوفر علم الريولوجيا رؤى فريدة من نوعها
كلما كانت هناك تركيبة "لينة" (غير صلبة بحتة) يجب معالجتها، يوفر مقياس الريولوجيا رؤى فريدة من نوعها. تتمثل إحدى المزايا العظيمة لعلم الريولوجيا في أنه لا يتطلب تخفيف العينة، أي يمكن فحص المواد بتركيزات مستهدفة.
الأسئلة الشائعة هي:
- هل ستتدفق المادة، هل ستعلق، هل من المحتمل أن تتناثر وما إلى ذلك؟
- ما مدى حساسية المادة للتركيز والوزن الجزيئي ودرجة الحرارة وقوة Ionic ؟
- هل كل دفعة من المنتج متطابقة؟
كل هذه الأسئلة عادةً ما تكون قابلة للقياسات الريومترية البسيطة. دائمًا ما تكون نتائج علم الريولوجيا مفيدة بشكل مباشر لتصميم المنتجات وتحسين الأداء. يمكن أن تساعد القياسات في تضييق الخيارات وتسريع التطوير بالإضافة إلى حل المشاكل.
على سبيل المثال، كانت القياسات الريومترية ذات أهمية كبيرة في تطوير "Oderase"، وهي تركيبة معطر هواء مائي خالٍ من العطور ومناسب للاستخدام عن طريق الرش بالمضخة. ساعدت التجارب الريولوجية المختارة بعناية في تسريع تحديد تركيبة ذات خصائص مناسبة وثبات.
بدأ عملي في علم الريولوجيا عند انضمامي إلى شركة Kodak. في عام 1988، اخترنا مقياس الانسيابية الدورانية Bohlin VOR، وهو جهاز قياس الانسيابية الدورانية الذي يتم التحكم في تشوهه كأداة عملنا. ومنذ ذلك الحين، تقدمت تكنولوجيا التحكم في الإجهاد بسرعة، لذلك بعد عدة إصدارات من أجهزة قياس الانسيابية Bohlin CS (في كوداك ثم شلمبرجير) سعدت بموافقة مجلس إدارة Aqdot على شراء جهازي Kinexus Pro+، وهما الجهازان اللذان خلفوا أجهزة Bohlin.
“كان اختيار هذه الأدوات NETZSCH قرارًا سهلاً. فالأدوات تتمتع بمواصفات ممتازة (والأهم من ذلك أنها تفي!). NETZSCH العلماء والمهندسون متعاونون للغاية دائمًا، ويقدمون حلولاً واضحة للمشاكل "السهلة" واقتراحات ثاقبة للمساعدة في التغلب على تلك التحديات "المبتكرة" أو الجديدة.”
مجموعة المنتجات NETZSCH كيnexus برايم كي برايم
خدمة متميزة ودعم عملاء متميز
كان اختيار هذه الآلات NETZSCH قرارًا سهلاً. فالأدوات تتمتع بمواصفات ممتازة (والأهم من ذلك أنها تفي!). من المهم أيضًا أن NETZSCH حافظت على الخدمة المتميزة ودعم العملاء. NETZSCH العلماء والمهندسون دائمًا ما يكونون متعاونين للغاية، حيث يقدمون حلولاً واضحة للمشاكل "السهلة" واقتراحات ثاقبة للمساعدة في التغلب على تلك التحديات "المبتكرة" أو الجديدة.
وفي الآونة الأخيرة، قدمت الحلقات الدراسية عبر الإنترنت رؤى جيدة ومساعدة مباشرة على نطاق أوسع للمستخدمين، ليس فقط للإجابة على الأسئلة الشائعة، ولكن ربما للإشارة إلى فرص لطرق جديدة يمكن من خلالها نشر العديد من الأدوات.
لقد سعدت بالحلقة الدراسية الأخيرة حول المصطنعات الريولوجية: إن فهم المصطنعات أمر ضروري لإجراء أفضل القياسات الممكنة وللتمكن من وصف النتائج للآخرين بثقة.
الاستخلاص المعزز للنفط بالبوليمر: سلوك التدفق غير المعتاد للمحاليل المائية للبوليمرات ذات الوزن الجزيئي العالي جداً
تتضمن القياسات اليومية النموذجية كلاً من القياسات المستمرة (منحنيات التدفق) والقص التذبذبي (التردد وعمليات مسح الإجهاد). ويعني العمل في الصناعة أن غالبية القياسات لا يمكن الكشف عنها. ومع ذلك، نشرنا مع أندرو كلارك وزملائه في شركة Schlumberger سلسلة من الأوراق البحثية حول سلوك التدفق غير المعتاد للمحاليل المائية للبوليمرات ذات القدرة العالية جدًا على توليد الطاقة في الأوساط المسامية، مع تطبيقها على استخلاص النفط الخام.[1]
اتبع عملنا الظاهرة التي لوحظت سابقًا أنه مع السوائل التي تحتوي على بوليمرات مرنة ذات ميجاوات ميكانيكية عالية للغاية (>15 ميجاوات ميكانيكي) تزداد الضغوط الخلفية بما يتجاوز تلك التي تتفق مع لزوجة القص فوق معدل التدفق الحرج: كان يمكن الوصول إلى هذا المعدل الحرج في ظروف تدفق حقول النفط. وأكدنا أن المعدل الحرج كان مستقلاً عن تركيز البوليمر ولكنه انخفض مع مربع ميجاوات البوليمر. هذه التبعيات غير متوقعة للغاية.أشارت دراسات الموائع الدقيقة إلى أن التدفق أصبح غير مستقر فوق معدل التدفق الحرج هذا. تمكنا من تكرار عدم استقرار التدفق في تدفق القص البسيط، كما هو موضح في الشكل 1 بالنسبة للبولي (أكريلاميد) المتحلل مائيًا جزئيًا ذو الميغاواط العالي جدًا (18-20 ميغاواط ميغاواط).عند المعدلات المنخفضة، يظهر السلوك التقليدي (ترقق نيوتوني على أساس قانون القوة النيوتونية) والذي يمكن ملاءمته مع نموذج كاريو-ياسودا، مما يعطي زمن استرخاء lCY. ومع ذلك، هناك سماكة واضحة من 100 ثانية-1 والتي تبدو مفاجئة في البداية.
ويزداد زمن الاسترخاء الأقصر هذا lt (ينخفض معدل البدء) مع مربع MW البوليمر، وهو نفس ما يظهر في تدفق هذه السوائل عبر نوى الصخور (الشكل 2).
تزداد كل من لزوجة القص الصفرية h(0)، وأزمنة الاسترخاء لبداية الترقق lCY وتقاطع G'= G" (losc) مع تركيز البوليمر C3 في حين أن بداية التثخين عند القص العالي (معاد قياسها على أنها lPM) وفي الصخر (lcore) مستقلة عن التركيز (الشكل 3).
يتوافق التثخين مع الانتقال إلى التدفق غير المستقر: في قياسات الإجهاد المتدرج "للحالة المستقرة" هناك تباطؤ في قيمة اللزوجة الظاهرية بينما في منحدر الإجهاد (0.3 ثانية عند كل قيمة إجهاد) يكون التدفق غير مستقر مع قيم متقلبة من اللزوجة "اللحظية" (الشكل 4).
ويتفق الانتقال إلى التدفق غير المستقر مع "الاضطراب المرن"[2]، وهي ظاهرة مرتبطة بالبوليمرات ذات القدرة العالية جدًا على توليد الطاقة الكهربائية التي تتدفق في خطوط انسيابية منحنية: فالوسائط المسامية مثل الصخور لها هياكل شديدة الانحناء، أما الأشكال الهندسية الريومترية فهي أقل من ذلك بكثير. ومع ذلك، حتى المستويات المنخفضة من الانحناء في هندسة اللوح المخروطي كافية لتوليد تدفق غير مستقر بهذه الآلية[3].
أسفرت التجارب مع مخروطي 1oو4o عن البيانات المتداخلة المتوقعة عند القص المنخفض ولكن التدفق السميك/غير المستقر عند المعدلات العالية يبدأ عند معدلات أقل مع مخروط الزاوية large.
ويختلف هذا السلوك اختلافًا كبيرًا عن التدفقات الثانوية (دوامات توريان) التي تبدأ بمعدل أعلى عند زيادة اللزوجة: بالنسبة لهذه البوليمرات، تعتمد بداية التدفق غير المستقر على MW والمعدل وزاوية المخروط ولكن ليس على اللزوجة.
الخاتمة
قبل هذا العمل، استند فهم الاستخلاص المعزز للنفط بالبوليمر على السلوك اللزج المرن البسيط في الأوساط المسامية. وأظهرت هذه الدراسات أن تدفق التوازن ليس وصفًا مناسبًا للسلوك المحلي: ففي الاضطراب المرن يتقلب مجال التدفق بقوة حول المتوسط من حيث الاتجاه والمقدار على حد سواء، وبالتالي يكون أكثر فعالية في إزاحة سائل عالي اللزوجة مثل النفط الخام أكثر مما هو متوقع.
وأدت هذه البيانات إلى فهم تنبؤي لسبب إزاحة البوليمرات ذات القدرة اللزوجة العالية جدًا للزيت أكثر مما هو متوقع من سلوكها اللزوجة الخطية المرنة. وكان دور القياسات الريومترية باستخدام مقاييس الانسيابية عالية الجودة حاسمًا في توليد هذا الفهم.
شكر وتقدير:
كما كان الحال في كثير من الأحيان، ساعدت المناقشات مع أدريان هيل وشونا مارش (دعم العملاء في المملكة المتحدة) في توجيه الظروف التجريبية المثلى لدراسات الإجهاد المنحدر/الخطوة! وحافظ دارين تينانت على أجهزة قياس الانسيابية في حالة ممتازة."
أندرو، شكرًا جزيلاً لك على هذه الأفكار المثيرة للاهتمام في بحثكarch وعلى الثقة التي منحتها في NETZSCH ومقاييس الريومتر الخاصة بنا لعقود!
[1] آلية زيادة إزاحة الزيت بشكل شاذ مع محاليل البوليمر اللزجة اللزجة المائية، A Clarke, A M Howe, J Mitchell, J Staniland, L Hawkes, K Leeper, Soft Matter, 2015, 11, 3536 - 3541.Viscoelastic Flow من محاليل البوليمر اللزجة اللزجة المركزة في الوسائط المسامية. تأثير الوزن الجزيئي MW والتركيز على بداية الاضطراب المرن في أشكال هندسية مختلفة. A M Howe, A Clarke and D Giernalczyk, Soft Matter, (2015) 11 6419 - 6431.
مراقبة التشبع النفطي في الوقت الحقيقي في نوى الصخور باستخدام الرنين المغناطيسي النووي منخفض المجال J Mitchell A M Howe, A Clarke Journal of Magnetic Resonance, (2015) 256، 34-42
تدفقات البوليمر والاضطراب المرن في الهياكل المسامية ثلاثية الأبعاد، ج. ميتشل، ك. ليونز، أ. م. هاو، أ. م. هاو، كلارك، المادة اللينة، 2016، 12، 460-468.
كيف يعزز فيضان البوليمر اللزجة المرن من كفاءة الإزاحة، A Clarke, A M Howe, A M Howe, J Mitchell, J Staniland, L A Hawkes; SPE Journal, SPE-174654-MS, SPE Journal SPE J. 21 (03): 0675-0687.
[2] الاضطراب المرن في تدفق محلول البوليمر A Groisman وV Steinberg، Nature 405, 53 (2000).
الخلط الفعال عند أعداد رينولدز المنخفضة باستخدام إضافات البوليمر A Groisman وV Steinberg، Nature 410, 905 (2001).
[3] عدم الاستقرار المرن وخطوط الانسياب المنحنية P Pakdel و G H McKinley، Physical Review Letters, 77, 2459, 1996.