Asiakkaan menestystarina
Supramolekyylikemia: Hajunhallinnasta öljyn talteenoton optimointiin: NETZSCH
Andrew Howen kenttäkertomus
"Olen Andrew Howe, teollinen kolloidi-, formulointi- ja pehmeän aineen tutkija, joka on työskennellyt NETZSCH -reometrien ja niiden välittömien edeltäjien Malvernin ja Bohlinin kanssa vuodesta 1988.
Reometrit ovat korvaamattomia materiaalien suunnittelussa, jotta valmistusprosessit olisivat mahdollisimman tehokkaita ja lopputuotteiden suorituskyky optimaalinen. Käytin reometrisiä tietoja formuloidessani nopeita ja tehokkaita pinnoitus- ja kuivausprosesseja entisessä työnantajassani Kodakissa ja optimoidessani nesteen siirtymistä huokoisissa geometrioissa Schlumbergerissä.
Nykyään työskentelen Aqdot, joka sai alkunsa Cambridgen yliopistosta vuonna 2013. Aqdot kaupallistaa supramolekyylikemian teknologiaa, joka perustuu kurbituriileihin (tai "CB:iin"), makrosyklisiin molekyyleihin, jotka ovat ainutlaatuisen tehokkaita supramolekulaarisia "isäntiä". CB:t sitovat ei-kovalenttisesti monenlaisia "vieraita", erityisesti hydrofobisia, happamia, emäksisiä ja kationisia osia.
CB-homologeilla (CB[6], CB[7] ja CB[8]) on tehty paljon akateemista työtä, mutta materiaaleja on tähän asti ollut saatavilla vain grammamittakaavassa - silloinkin vain suurilla kustannuksilla."
Innovatiivinen hajunvalvonta Large mittakaavassa
"Aqdot on skaalannut CB:n valmistuksen usean tonnin mittakaavaan, ja tämän materiaalin välittömät large-mittakaavan markkinat ovat epämiellyttävien hajujen ja haihtuvien orgaanisten yhdisteiden (VOC) poistamisessa. Teknologia mahdollistaa erikokoisten ja molekyyliominaisuuksiltaan erilaisten molekyylien sitomisen.
Aqdotin lähestymistapa on lisensoida ja toimittaa tuotteitaan aktiivisille markkinoille, kuten kodin ja henkilökohtaisen hygienian, tekstiilien ja muovien markkinoille, erityisesti autoteollisuuden sovelluksiin. Kun työskentelemme näin monilla markkinoilla, tuotteet on sisällytettävä "saumattomasti" monenlaisiin reseptuureihin, ja reologiset mittaukset ovat erinomainen osoitus siitä, miten hyvin olemme onnistuneet, ja ne antavat vihjeitä siitä, mihin voimme tarvittaessa tehdä muutoksia.
.
Reologia tarjoaa ainutlaatuisia näkemyksiä
Aina kun on kyse "pehmeästä" (ei-puhtaasti kiinteästä) formulaatiosta, reometri tarjoaa ainutlaatuista tietoa. Yksi reologian suurista eduista on se, että se ei vaadi näytteen laimentamista, eli materiaaleja voidaan tutkia tavoitepitoisuuksilla.
Yleisiä kysymyksiä ovat mm:
- Virtaako materiaali, suspendoituuko se, onko todennäköistä, että se suihkuaa jne.?
- Kuinka herkkä materiaali on pitoisuudelle, molekyylipainolle, lämpötilalle ja Ionic lujuudelle?
- Onko jokainen tuote-erä samanlainen?
Kaikki nämä kysymykset ovat yleensä ratkaistavissa yksinkertaisilla reometrisillä mittauksilla. Reologisista tuloksista on aina suoraa hyötyä tuotteiden suunnittelussa ja suorituskyvyn optimoinnissa. Mittaukset voivat auttaa rajaamaan valintoja ja nopeuttamaan kehitystyötä sekä ratkaisemaan ongelmia.
Esimerkiksi reometrisillä mittauksilla oli suuri merkitys kehitettäessä "Oderasea", vesipohjaista, hajusteetonta ilmanraikastinvalmistetta, joka soveltuu käytettäväksi pumppusumuttimella. Huolellisesti valitut reologiset kokeet auttoivat nopeuttamaan ominaisuuksiltaan ja säilyvyydeltään sopivan koostumuksen löytämistä.
Aikani reologian parissa alkoi Kodakille siirryttyäni. Vuonna 1988 valitsimme työlaitteeksemme Bohlinin VOR-rotaatioreometrin, muodonmuutosohjatun laitteen. Sittemmin jännitysohjattu tekniikka on kehittynyt nopeasti, joten useiden Bohlin CS -reometrien versioiden jälkeen (Kodakissa, sitten Schlumbergerissä) olin iloinen, kun Aqdotin hallitus hyväksyi kahden Kinexus Pro+ -reometrin, Bohlinin laitteiden seuraajien, hankinnan.
.
“Näiden NETZSCH instrumenttien valitseminen oli helppo päätös. Laitteilla on erinomaiset tekniset tiedot (ja mikä tärkeintä, ne täyttävät ne!). NETZSCH tutkijat ja insinöörit ovat aina hyvin avuliaita ja tarjoavat selkeitä ratkaisuja "helppoihin" ongelmiin ja oivaltavia ehdotuksia, jotka auttavat selviytymään "rajamailla" olevista tai uusista haasteista.”
NETZSCH Kinexus Prime -tuotesalkku
Erinomainen palvelu ja asiakastuki
Näiden NETZSCH instrumenttien valitseminen oli helppo päätös. Soittimilla on erinomaiset tekniset tiedot (ja mikä tärkeintä, ne täyttävät ne!). Ratkaisevaa on myös se, että NETZSCH ylläpitää erinomaista huolto- ja asiakastukea. NETZSCH tutkijat ja insinöörit ovat aina hyvin avuliaita ja tarjoavat selkeitä ratkaisuja "helppoihin" ongelmiin ja oivaltavia ehdotuksia "rajamailla" olevien tai uusien haasteiden ratkaisemiseksi.
Viime aikoina webinaarit ovat tarjonneet hyviä näkemyksiä ja suoraa apua laajemminkin käyttäjille. Niissä on vastattu yleisiin kysymyksiin ja ehkä myös osoitettu mahdollisuuksia uusiin tapoihin, joilla välineitä voidaan käyttää.
Olin ilahtunut hiljattain järjestetystä seminaarista, jossa käsiteltiin reologian artefakteja: artefaktien ymmärtäminen on olennaisen tärkeää, jotta mittaukset voidaan tehdä parhaalla mahdollisella tavalla ja jotta tuloksia voidaan kuvata luotettavasti muille.
Polymeereillä tehostettu öljyn talteenotto: Erittäin suuren molekyylipainon polymeerien vesiliuosten epätavallinen virtauskäyttäytyminen
Tyypillisiä päivittäisiä mittauksia ovat sekä jatkuvat mittaukset (virtauskäyrät) että värähtelevät leikkausmittaukset (taajuus- ja jännityspyyhkäisyt). Teollisuudessa työskentely tarkoittaa sitä, että suurinta osaa mittauksista ei voida paljastaa. Julkaisimme kuitenkin Andrew Clarken ja kollegoiden kanssa Schlumbergerillä sarjan artikkeleita, joissa käsiteltiin erittäin suuren MW:n polymeerien vesiliuosten epätavallista virtauskäyttäytymistä huokoisissa väliaineissa, ja sovelluskohteena oli raakaöljyn talteenotto[1]
Työssämme seurasimme aiemmin havaittua ilmiötä, jonka mukaan erittäin suuren MW:n (>15 MDa) joustavia polymeerejä sisältävissä nesteissä vastapaineet kasvoivat leikkausviskositeetin kanssa yhteensopivia paineita suuremmiksi kriittisen virtausnopeuden yläpuolella: kriittinen virtausnopeus oli saavutettavissa öljykenttien virtausolosuhteissa. Vahvistimme, että kriittinen nopeus oli riippumaton polymeerin konsentraatiosta, mutta se pieneni polymeerin MW:n neliöllä. Tällaiset riippuvuudet ovat hyvin odottamattomia.mikrofluidiset tutkimukset osoittivat, että virtaus muuttui epästabiiliksi kriittisen virtausnopeuden yläpuolella. Pystyimme toistamaan virtauksen epästabiiliuden yksinkertaisessa leikkausvirtauksessa, kuten kuvassa 1 on esitetty hyvin suuren MW:n (18-20 MDa) osittain hydrolysoidulle poly(akryyliamidille.)pienillä virtausnopeuksilla on havaittavissa tavanomaista käyttäytymistä (Newtonin teholakiin perustuva oheneminen), joka voidaan sovittaa Carreau-Yasuda-mallilla, jolloin relaksaatioajaksi saadaan lCY. 100s-1:stä alkaen on kuitenkin havaittavissa ilmeistä paksuuntumista, mikä vaikuttaa aluksi yllättävältä.
Tämä lyhyempi relaksaatioaikalt kasvaa (alkamisnopeus pienenee) polymeerin MW:n neliöllä, mikä on sama kuin mitä on havaittu näiden nesteiden virtauksessa kallioperän läpi (kuva 2).
Nollaviskositeetti h(0), ohenemisen alkamisen relaksaatioajat lCY ja G'=G"-risteymä (losc) kasvavat polymeerinC3-pitoisuuden kasvaessa, kun taas paksuuntumisen alkaminen korkeassa leikkauksessa (skaalattuna lPM) ja kalliossa (lcore) ovat pitoisuudesta riippumattomia (kuva 3).
Paksuuntuminen vastaa siirtymistä epästabiiliin virtaukseen: "vakaan tilan" askeljännitysmittauksissa näennäisen viskositeetin arvossa on hystereesi, kun taas jännitysrampissa (0,3 s kullakin jännitysarvolla) virtaus on epästabiili ja "hetkellisen" viskositeetin arvot vaihtelevat (kuva 4).
Siirtyminen epästabiiliin virtaukseen vastaa "elastista turbulenssia"[2], ilmiötä, joka liittyy hyvin suurten MW:n polymeereihin, jotka virtaavat kaarevissa virtaviivoissa: huokoisilla väliaineilla, kuten kivillä, on erittäin kaarevia rakenteita, reometrisillä geometrioilla ei niinkään. Kuitenkin jopa kartiolevygeometrian pienetkin kaarevuustasot riittävät tuottamaan epästabiilin virtauksen tällä mekanismilla[3].
Kokeet, joissa käytettiin 1o ja 4o kartioita, tuottivat odotetusti päällekkäisiä tietoja alhaisella leikkausnopeudella, mutta sakeutuva/epävakaa virtaus suurilla nopeuksilla alkaa pienemmillä nopeuksilla suuremman kulman kartiolla.
Tämä käyttäytyminen eroaa suuresti toissijaisista virtauksista (Turianin pyörteistä), jotka alkavat suuremmalla nopeudella viskositeetin kasvaessa: näiden polymeerien osalta epävakaan virtauksen alkaminen riippuu MW:sta, nopeudesta ja kartiokulmasta mutta ei viskositeetista.
Päätelmä
Ennen tätä työtä ymmärrys polymeerien tehostetusta öljyn talteenotosta perustui yksinkertaiseen viskoelastiseen käyttäytymiseen huokoisissa väliaineissa. Nämä tutkimukset osoittivat, että tasapainovirtaus ei ole sopiva kuvaus paikallisesta käyttäytymisestä: elastisessa turbulenssissa virtauskenttä vaihtelee voimakkaasti keskiarvon ympärillä sekä suunnan että suuruuden osalta, ja näin ollen se on huomattavasti tehokkaampi syrjäyttämään loukkuun jäänyttä korkeaviskositeettista nestettä, kuten raakaöljyä, kuin mitä voitaisiin odottaa.
Näiden tietojen avulla päästiin ennakoivaan ymmärrykseen siitä, miksi ja missä olosuhteissa erittäin suuren megawatin polymeerit syrjäyttävät enemmän öljyä kuin niiden lineaarisen viskoelastisen käyttäytymisen perusteella ennustetaan. Laadukkailla reometreillä suoritetut reometriset mittaukset olivat ratkaisevassa asemassa tämän ymmärryksen syntymisessä.
Kiitokset:
Kuten usein, Adrian Hillin ja Shona Marshin (Yhdistyneen kuningaskunnan asiakastuki) kanssa käydyt keskustelut auttoivat ohjaamaan optimaalisia koeolosuhteita ramppi-/askellusjännitystutkimuksia varten! Ja Darren Tennant piti reometrit huippukunnossa."
Andrew, kiitos paljon näistä mielenkiintoisista oivalluksista tutkimustyössäsi ja luottamuksesta, jonka olet antanut NETZSCH ja reometreillemme vuosikymmenien ajan!
[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 poorous media. MW-molekyylipainon ja konsentraation vaikutus elastisen turbulenssin alkamiseen eri geometrioissa. A M Howe, A Clarke ja D Giernalczyk, Soft Matter, (2015) 11 6419 - 6431.
Reaaliaikainen öljykylläisyyden seuranta kallioperässä matalan kentän NMR:llä J Mitchell A M Howe, A Clarke Journal of Magnetic Resonance, (2015) 256, 34-42
Polymeerivirtaukset ja elastinen turbulenssi kolmiulotteisissa huokoisissa rakenteissa, J Mitchell, K Lyons, A M Howe ja A Clarke, Soft Matter, 2016,12, 460-468.
How Viscoelastic Polymer Flooding Enhances Displacement Efficiency, 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] Elastic turbulence in a polymer solution flow A Groisman and V Steinberg, Nature 405, 53 (2000).
tehokas sekoittuminen pienillä Reynoldsin luvuilla polymeerilisäaineiden avulla A Groisman ja V Steinberg, Nature 410, 905 (2001).
[3] Elastic instability and curved streamlines P Pakdel ja G H McKinley, Physical Review Letters, 77, 2459, 1996.