Ügyfél SIKERES TÖRTÉNET
Szupramolekuláris kémia: A szagszabályozástól az olajkitermelés optimalizálásáig: NETZSCH
Andrew Howe helyszíni jelentése
"Andrew Howe vagyok, egy ipari kolloid/formulációs/lágyanyag-kutató, aki 1988 óta szívesen dolgozik a NETZSCH reométerekkel, valamint közvetlen elődeikkel, a Malvernnel és a Bohlinnel.
A reométerek felbecsülhetetlen értékűnek bizonyulnak az anyagok tervezésében a gyártási folyamatok maximális hatékonysága és a végtermékek optimális teljesítménye érdekében. Korábbi munkaadómnál, a Kodaknál a gyors és hatékony bevonat- és szárítási folyamatok kialakításakor, a Schlumbergernél pedig a folyadék porózus geometriában történő kiszorításának optimalizálásakor használtam a reometriai adatokat.
Ma a Aqdot, egy vállalatnál, amely a Cambridge-i Egyetemről indult 2013-ban. Az Aqdot egy szupramolekuláris kémiai technológiát hoz forgalomba a cucurbiturilok (vagy "CB-k") révén, makrociklikus molekulák, amelyek egyedülállóan hatékony szupramolekuláris "gazdatestek". A CB-k nem-kovalens módon kötik meg a legkülönbözőbb "vendégeket", különösen hidrofób, savas, bázikus és kationos részeket.
A CB-homológokkal (CB[6], CB[7] és CB[8]) kapcsolatban sok tudományos munka folyt, de anyagok eddig csak grammos méretben - és akkor is csak nagy költséggel - álltak rendelkezésre."
Innovatív szagszabályozás a Large oldalon
"Az Aqdot a CB-k gyártását többtonnás méretre méretezte, és az anyag közvetlen large-méretű piaca a kellemetlen szagok és a VOC-k (illékony szerves vegyületek) eltávolítása. A technológia lehetővé teszi a különböző méretű és molekuláris jellemzőkkel rendelkező molekulák megkötését.
Az Aqdot megközelítése az, hogy licenceli és szállítja a terméküket, és aktív piacokon, beleértve az otthoni és testápolási termékeket, a textíliákat és a műanyagokat, különösen az autóipari alkalmazásokat. Az ilyen sok piacon való munka következménye, hogy a termékeket "zökkenőmentesen" kell beépíteni sokféle formulába, és a reológiai mérések kiváló útmutatást nyújtanak arról, hogy mennyire voltunk sikeresek, és támpontokat adnak arra, hogy szükség esetén hol kell kiigazításokat végezni.
.
A reológia egyedülálló betekintést nyújt
Amikor egy "lágy" (nem tisztán szilárd) formulával kell foglalkozni, a reométer egyedülálló betekintést nyújt. A reológia egyik nagy előnye, hogy nem igényel mintahígítást, azaz az anyagokat célkoncentrációban is lehet vizsgálni.
Gyakori kérdések a következők:
- Folyik-e az anyag, szuszpendálódik-e, permeteződik-e stb
- Mennyire érzékeny az anyag a koncentrációra, a molekulatömegre, a hőmérsékletre és a Ionic erősségre?
- Minden terméktétel azonos-e?
Mindezek a kérdések általában egyszerű reometriai mérésekkel megválaszolhatók. A reológiai eredmények mindig közvetlenül hasznosak a termékek tervezésénél és a teljesítmény optimalizálásánál. A mérések segíthetnek a választék szűkítésében és a fejlesztés felgyorsításában, valamint a problémák elhárításában.
Például a reometriai mérések nagy jelentőséggel bírtak az "Oderase", egy vízalapú, illatmentes, pumpás permetezéssel használható légfrissítő készítmény kifejlesztése során. A gondosan megválasztott reológiai kísérletek segítettek felgyorsítani a megfelelő tulajdonságokkal és stabilitással rendelkező készítmény azonosítását.
A reológiával töltött időm a Kodakhoz való csatlakozásommal kezdődött. 1988-ban egy Bohlin VOR rotációs reométert, egy deformációvezérelt műszert választottunk munkaeszközünknek. Azóta a szabályozott feszültségű technológia gyorsan fejlődött, így a Bohlin CS reométerek több változata után (a Kodaknál, majd a Schlumbergernél) nagy örömömre szolgált, hogy az Aqdot igazgatótanácsa jóváhagyta két Kinexus Pro+ reométer, a Bohlin műszerek utódainak megvásárlását.
.
“Könnyű döntés volt ezeket a NETZSCH eszközöket választani. A műszerek kiváló specifikációkkal rendelkeznek (és ami még fontosabb, megfelelnek!). A NETZSCH tudósai és mérnökei mindig nagyon segítőkészek, világos megoldásokat kínálnak a "könnyű" problémákra, és éleslátó javaslatokat tesznek a "határterületi" vagy újszerű kihívások leküzdésére.”
A NETZSCH Kinexus Prime termékportfólió
Kiváló szolgáltatás és ügyfélszolgálat
Könnyű döntés volt ezeket a NETZSCH eszközöket választani. A hangszerek kiváló specifikációkkal rendelkeznek (és ami még fontosabb, megfelelnek!). Szintén kritikus, hogy a NETZSCH fenntartotta a kiváló szerviz- és ügyfélszolgálatot. A NETZSCH tudósai és mérnökei mindig nagyon segítőkészek, világos megoldásokat nyújtanak a "könnyű" problémákra, és éleslátó javaslatokat tesznek a "határterületi" vagy újszerű kihívások leküzdésére.
Az utóbbi időben a webináriumok jó meglátásokat és közvetlen segítséget nyújtottak a felhasználóknak szélesebb körben, nem csak a gyakori kérdésekre adtak választ, hanem talán új lehetőségeket mutattak fel a műszerek sokféle felhasználási módjára.
Nagyon örültem a reológiai artefaktumokról tartott legutóbbi szemináriumnak: az artefaktumok megértése alapvető fontosságú a lehető legjobb mérések elvégzéséhez és ahhoz, hogy az eredményeket magabiztosan tudjuk másoknak leírni.
Polimerrel támogatott olajkitermelés: A nagyon nagy molekulasúlyú polimerek vizes oldatainak szokatlan áramlási viselkedése
A tipikus napi mérések mind folyamatos (áramlási görbék), mind oszcillációs nyírási (frekvencia- és feszültségmérések) méréseket tartalmaznak. Az iparban végzett munka azt jelenti, hogy a mérések többsége nem hozható nyilvánosságra. Andrew Clarke-kal és kollégáival a Schlumberger-nél azonban publikáltunk egy sorozatot a nagyon nagy MW-os polimerek vizes oldatainak szokatlan áramlási viselkedéséről porózus közegben, az alkalmazás a nyersolaj kinyerése volt[1]
Munkánk azt a korábban megfigyelt jelenséget követte, hogy a rendkívül nagy MW-jú (>15 MDa) rugalmas polimereket tartalmazó folyadékoknál a nyírási viszkozitással összhangban lévő nyomáson túlmenően megnövekedett az ellennyomás egy kritikus áramlási sebesség felett: ez a kritikus sebesség olajmezői áramlási körülmények között volt elérhető. Megerősítettük, hogy a kritikus sebesség független a polimer koncentrációjától, de a polimer MW négyzetével csökken. Az ilyen függőségek nagyon váratlanok.mikrofluidikai vizsgálatok azt mutatták, hogy az áramlás e kritikus áramlási sebesség felett instabillá válik. Az áramlási instabilitást egyszerű nyíróáramlásban is sikerült megismételni, amint azt az 1. ábra mutatja a nagyon nagy MW-jú (18-20 MDa) részlegesen hidrolizált poli(akrilamid) esetében.alacsony sebességeknél a hagyományos viselkedés (newtoni hatványtörvény szerinti elvékonyodás) látható, ami a Carreau-Yasuda modellel illeszthető, ami lCY RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs időt ad. 100s-1-től azonban látszólagos sűrűsödés tapasztalható, ami elsőre meglepőnek tűnik.
Ez a rövidebblt RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs idő a polimer MW négyzetével nő (a kezdeti sebesség csökken), ami megegyezik az e folyadékok kőzetmagokon keresztül történő áramlásánál tapasztaltakkal (2. ábra).
A h(0) nulla nyírási viszkozitás, a vékonyodás kezdetének RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs ideje lCY és a G'=G" átmenet (losc) mindegyike nő aC3 polimer koncentrációval, míg a vastagodás kezdete nagy nyírásnál (átméretezve lPM) és a kőzetben (lcore) független a koncentrációtól (3. ábra).
A sűrűsödés az instabil áramlásba való átmenetnek felel meg: a "steady state" step-StresszA feszültséget egy jól meghatározott keresztmetszetű mintára kifejtett erő szintjeként határozzák meg. (Feszültség = erő/terület). A kör vagy téglalap keresztmetszetű minták összenyomhatók vagy nyújthatók. Az olyan rugalmas anyagok, mint a gumi, eredeti hosszuk 5-10-szeresére is nyújthatók.stressz mérésekben hiszterézis van a látszólagos viszkozitás értékében, míg a StresszA feszültséget egy jól meghatározott keresztmetszetű mintára kifejtett erő szintjeként határozzák meg. (Feszültség = erő/terület). A kör vagy téglalap keresztmetszetű minták összenyomhatók vagy nyújthatók. Az olyan rugalmas anyagok, mint a gumi, eredeti hosszuk 5-10-szeresére is nyújthatók.stressz-ramp (0,3 s minden egyes feszültségértéknél) az áramlás instabil, a "pillanatnyi" viszkozitás értékének ingadozásával (4. ábra).
Az instabil áramlásba való átmenet összhangban van az "elasztikus turbulenciával"[2], amely jelenség a görbült áramvonalakban áramló, nagyon nagy MW-os polimerekkel kapcsolatos: a porózus közegek, például a kőzetek erősen görbült szerkezetűek, a reometrikus geometriák sokkal kevésbé. Azonban még a kúplemez-geometria alacsony görbületi szintje is elegendő ahhoz, hogy instabil áramlást hozzon létre ez a mechanizmus[3].
Az 1o és 4o kúpokkal végzett kísérletek alacsony nyírási sebességnél a várt átfedő adatokat eredményezték, de a sűrűsödő/instabil áramlás nagy sebességnél a nagyobb szögű kúpoknál alacsonyabb sebességnél kezdődik.
Ez a viselkedés nagyban különbözik a másodlagos áramlásoktól (Turian-örvények), amelyek a viszkozitás növekedésével nagyobb sebességnél kezdődnek: ezeknél a polimereknél az instabil áramlás kezdete az MW-tól, a sebességtől és a kúpszögtől függ, de a viszkozitástól nem.
Következtetés
Ezt a munkát megelőzően a polimerrel történő fokozott olajkitermelés megértése a porózus közegben mutatkozó egyszerű viszkoelasztikus viselkedésen alapult. Ezek a vizsgálatok kimutatták, hogy az egyensúlyi áramlás nem megfelelő leírása a helyi viselkedésnek: rugalmas turbulenciában az áramlási mező mind irányát, mind nagyságát tekintve erősen ingadozik az átlag körül, és következésképpen a vártnál lényegesen hatékonyabban képes kiszorítani egy csapdába esett nagy viszkozitású folyadékot, például a nyersolajat.
Ezek az adatok annak előrejelző megértéséhez vezettek, hogy miért és milyen körülmények között tolják ki a nagyon nagy MW-jú polimerek a lineáris viszkoelasztikus viselkedésükből megjósoltnál több olajat. A kiváló minőségű reométerekkel végzett reometriai mérések szerepe döntő volt e megértés kialakításában.
Köszönetnyilvánítás:
Mint már sokszor, az Adrian Hill-lel és Shona Marsh-szal (brit ügyfélszolgálat) folytatott megbeszélések segítettek a rámpa/lépcsőfeszültség-vizsgálatok optimális kísérleti körülményeinek meghatározásában! Darren Tennant pedig a reométereket tartotta csúcskész állapotban."
Andrew, köszönjük szépen ezeket az érdekes betekintéseket a kutatómunkádba, és a bizalmat, amit a NETZSCH és a reométereink iránt évtizedek óta tanúsítasz!
[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. A MW molekulatömeg és a koncentráció hatása a rugalmas turbulencia kialakulására különböző geometriákban. A M Howe, A Clarke és D Giernalczyk, Soft Matter, (2015) 11 6419 - 6431.
Real-time oil-saturation monitoring in rock cores with low-field NMR J Mitchell A M Howe, A Clarke Journal of Magnetic Resonance, (2015) 256, 34-42
Polymer áramlások és rugalmas turbulencia háromdimenziós porózus szerkezetekben, J Mitchell, K Lyons, A M Howe és 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).
hatékony keveredés alacsony Reynolds-számok mellett polimer adalékanyagok felhasználásával A Groisman és V Steinberg, Nature 410, 905 (2001).
[3] Elastic instability and curved streamlines P Pakdel and G H McKinley, Physical Review Letters, 77, 2459, 1996.