ИСТОРИЯ ЗА УСПЕХ НА КЛИЕНТА
Свръхмолекулна химия: От контрол на миризмите до оптимизиране на добива на нефт: Как реометрите NETZSCH могат да помогнат
Полеви доклад от Андрю Хоу
"Аз съм Андрю Хау, индустриален колоиден/формулационен/мекоматерен учен, който от 1988 г. работи с реометри NETZSCH и техните преки предшественици Malvern и Bohlin.
Реометрите се оказват безценни при проектирането на материали за максимална ефективност на производствените процеси и за оптимални характеристики на крайните продукти. Използвах реометрични данни при формулирането на бързи и ефективни процеси на нанасяне на покрития и сушене в бившия ми работодател Kodak и за оптимизиране на изместването на флуиди в порести геометрии в Schlumberger.
Днес работя в Aqdot, компания, която възникна в университета в Кеймбридж през 2013 г. Aqdot комерсиализира технология за супрамолекулярна химия чрез кукурбитурили (или "CBs"), макроциклични молекули, които са уникално ефективни супрамолекулярни "домакини". CBs свързват нековалентно голямо разнообразие от "гости", по-специално хидрофобни, киселинни, основни и катионни молекули.
Върху хомолозите на СВ (СВ[6], СВ[7] и СВ[8]) е извършена много научна работа, но досега материалите са били достъпни само в грамаден мащаб - дори и тогава само с големи разходи."
Иновативен контрол на миризмите в мащаба на Large
"Aqdot е разширила производството на CBs до многотонни мащаби и непосредственият large пазар за този материал е за премахване на неприятни миризми и летливи органични съединения (ЛОС). Технологията позволява свързването на молекули с различни размери и молекулни характеристики.
Подходът на Aqdot е да лицензира и доставя своите продукти на активни пазари, включително за домашна и лична хигиена, текстил и пластмаси, особено за приложения в автомобилната индустрия. Следствие от работата на толкова много пазари е, че продуктите трябва да бъдат включени "безпроблемно" в много видове рецептури, а реологичните измервания са отличен ориентир за това доколко сме били успешни, като ни подсказват къде можем да направим корекции, ако е необходимо.
Реологията предоставя уникални познания
Винаги, когато трябва да се разгледа "мека" (не чисто твърда) формулировка, реометърът дава уникални познания. Едно от големите предимства на реологията е, че не изисква разреждане на пробата, т.е. материалите могат да се изследват при целеви концентрации.
Често задавани въпроси са:
- Ще тече ли материалът, ще се суспендира ли, има ли вероятност да се разпръсне и т.н.?
- Колко чувствителен е материалът към концентрацията, молекулното тегло, температурата и силата на Ionic?
- Идентична ли е всяка партида от продукта?
Всички тези въпроси обикновено могат да се подложат на прости реометрични измервания. Резултатите от реологията винаги са пряко полезни за проектирането на продукти и оптимизирането на експлоатационните характеристики. Измерванията могат да помогнат за стесняване на избора и ускоряване на разработването, както и за отстраняване на проблеми.
Например реометричните измервания бяха от голямо значение при разработването на "Oderase" - формула на освежител за въздух на водна основа, без аромат, подходящ за използване чрез пулверизатор с помпа. Внимателно подбраните реологични експерименти помогнаха да се ускори идентифицирането на състав с подходящи свойства и стабилност.
Работата ми в областта на реологията започна при постъпването ми в Kodak. През 1988 г. избрахме за наш работен инструмент ротационен реометър VOR на Bohlin, уред с контролирани деформации. Оттогава технологията за контролирани напрежения напредна бързо, така че след няколко версии на реометрите CS на Bohlin (в Kodak, а след това в Schlumberger) се зарадвах, че бордът на Aqdot одобри закупуването на два реометъра Kinexus Pro+, наследници на инструментите на Bohlin.
“Изборът на тези инструменти NETZSCH беше лесно решение. Инструментите имат (и, което е по-важно, отговарят на!) отлични спецификации. NETZSCH учените и инженерите винаги са много полезни, като предоставят ясни решения на "лесни" проблеми и проницателни предложения, които да помогнат за преодоляването на по-"гранични" или нови предизвикателства.”
Продуктовото портфолио NETZSCH Kinexus Prime
Изключително обслужване и поддръжка на клиенти
Изборът на тези инструменти NETZSCH беше лесно решение. Инструментите имат (и, което е по-важно, отговарят на!) отлични спецификации. От решаващо значение е и това, че NETZSCH поддържа изключителното обслужване и поддръжка на клиентите. учените и инженерите на NETZSCH винаги са много полезни, като предоставят ясни решения на "лесни" проблеми и проницателни предложения, които да помогнат за преодоляването на по-"гранични" или нови предизвикателства.
Напоследък уебинарите предоставят добри прозрения и пряка помощ в по-широк план на потребителите, като не само отговарят на често срещани въпроси, но и може би посочват възможности за нови начини, по които могат да се използват много инструменти.
Бях възхитен от неотдавнашния семинар за артефактите в реологията: разбирането на артефактите е от съществено значение за извършване на възможно най-добрите измервания и за възможността да се опишат с увереност резултатите пред другите.
Полимерно усилено извличане на нефт: Необичайното поведение на водните разтвори на полимери с много високо молекулно тегло
Типичните ежедневни измервания включват както непрекъснати (криви на потока), така и осцилиращи срязвания (честота и напрежения). Работата в промишлеността означава, че по-голямата част от измерванията не могат да бъдат оповестени. Заедно с Андрю Кларк и колегите му от Schlumberger обаче публикувахме поредица от статии за необичайното поведение на потока на водни разтвори на полимери с много висока MW в порьозна среда, като приложението беше извличане на суров петрол[1]
Работата ни проследи отбелязаното по-рано явление, че при флуиди, съдържащи гъвкави полимери с изключително висока MW (>15 MDa), обратното налягане се увеличава отвъд това, което съответства на вискозитета на срязване, над критична скорост на потока: тази критична скорост е достъпна в условията на потока в нефтените находища. Потвърдихме, че критичната скорост не зависи от концентрацията на полимера, но намалява с квадрата на MW на полимера. Такива зависимости са много неочаквани.микрофлуидните изследвания показаха, че потокът става нестабилен над тази критична скорост на потока. Успяхме да възпроизведем нестабилността на потока при обикновен поток на срязване, както е показано на фигура 1 за частично хидролизиран поли(акриламид) с много висок MW (18-20 MDa).при ниски скорости се наблюдава конвенционално поведение (нютоновско изтъняване по закона на силата), което може да се приспособи към модела на Carreau-Yasuda, давайки време за релаксация lCY. Въпреки това се наблюдава очевидно сгъстяване от 100s-1, което на пръв поглед изглежда изненадващо.
Това по-кратко време на релаксацияlt се увеличава (скоростта на настъпване намалява) с квадрата на MW на полимера, което е същото, което се наблюдава при протичането на тези течности през скални ядра (фигура 2).
Вискозитетът при нулево срязване h(0), времето за релаксация за началото на изтъняването lCY и прехода G'=G" (losc) нарастват с концентрацията на полимераC3, докато началото на уплътняването при високо срязване (преизчислено като lPM) и в скалата (lcore) не зависят от концентрацията (фигура 3).
Уплътняването съответства на преход към нестабилно течение: при измерванията на стъпаловидното напрежение в "стабилно състояние" се наблюдава хистерезис в стойността на видимия вискозитет, докато при измерванията на рампата на напрежението (0,3 s при всяка стойност на напрежението) течението е нестационарно с колебаещи се стойности на "моментния" вискозитет (фигура 4).
Преходът към нестабилно течение съответства на "еластичната турбулентност"[2], явление, свързано с полимери с много висока MW, течащи в извити поточни линии: порестите среди като скалите имат силно извити структури, реометричните геометрии - много по-малко. Въпреки това дори ниските нива на кривина в геометрията на конусовидната плоча са достатъчни, за да се генерира нестабилно течение по този механизъм[3].
Експериментите с конуси 1o и 4o дават очакваните припокриващи се данни при ниско срязване, но сгъстяването/нестабилното течение при високи скорости започва при по-ниски скорости с конуса с по-голям ъгъл.
Това поведение е много различно от вторичните потоци (вихри на Туриан), които започват при по-висока скорост при увеличаване на вискозитета: за тези полимери началото на нестабилното течение зависи от MW, скоростта и ъгъла на конуса, но не и от вискозитета.
Заключение
Преди тази работа разбирането за полимерното усилено извличане на нефт се основаваше на простото вискоеластично поведение в пореста среда. Тези изследвания показаха, че равновесното течение не е подходящо описание на местното поведение: при еластична турбулентност полето на потока силно се колебае около средната стойност както по посока, така и по големина, и следователно е значително по-ефективно при изместването на задържан флуид с висок вискозитет, какъвто е суровият нефт, отколкото би се очаквало.
Тези данни доведоха до прогнозно разбиране на това защо и при какви условия полимерите с много висока MW изместват повече нефт, отколкото се предвижда от тяхното линейно вискозно-еластично поведение. Ролята на реометричните измервания с висококачествени реометри беше от решаващо значение за формирането на това разбиране.
Благодарност:
Както често се случва, дискусиите с Адриан Хил и Шона Марш (отдел "Поддръжка на клиенти" в Обединеното кралство) помогнаха за определянето на оптималните експериментални условия за изследванията на рамповото/стъпковото напрежение! А Дарън Тенант поддържаше реометрите в отлично състояние."
Андрю, много ти благодаря за тези интересни прозрения в твоята изследователска работа и за доверието, което от десетилетия оказваш на NETZSCH и нашите реометри!
[1] Mechanism of anomalously increased oil displacement with aqueous viscoelastic polymer solutions, A Clarke, A M Howe, J Mitchell, J Staniland, L Hawkes, K Leeper, Soft Matter, 2015, 11, 3536 - 3541.Viscoelastic Flow of concentrated viscoelastic polymer solutions in porous media. Влияние на молекулното тегло и концентрацията на MW върху началото на еластичната турбулентност в различни геометрии. A M Howe, A Clarke and D Giernalczyk, Soft Matter, (2015) 11 6419 - 6431.
Мониторинг в реално време на наситеността на нефта в скални ядра с нискополеви ЯМР J Mitchell A M Howe, A Clarke Journal of Magnetic Resonance, (2015) 256, 34-42
Polymer Flows and Elastic Turbulence in Three-Dimensional Porous Structures (Полимерни потоци и еластична турбулентност в триизмерни порести структури), J Mitchell, K Lyons, A M Howe and A Clarke, Soft Matter, 2016,12, 460-468.
How Viscoelastic Polymer Flooding Enhances Displacement Efficiency (Как вискоеластичното полимерно заливане повишава ефективността на изместването), A Clarke, A M Howe, J Mitchell, J Staniland, L A Hawkes; SPE Journal, SPE-174654-MS, SPE Journal SPE J. 21 (03): 0675-0687.
[2] Еластична турбулентност в поток от полимерен разтвор A Groisman and V Steinberg, Nature 405, 53 (2000).
ефективно смесване при ниски числа на Рейнолдс с помощта на полимерни добавки A Groisman and V Steinberg, Nature 410, 905 (2001).
[3] Elastic instability and curved streamlines (Еластична нестабилност и извити поточни линии) P Pakdel and G H McKinley, Physical Review Letters, 77, 2459, 1996.