Historia sukcesu klienta
Chemia supramolekularna: Od kontroli zapachu do optymalizacji odzyskiwania ropy naftowej: Jak mogą pomóc reometry NETZSCH
Raport terenowy autorstwa Andrew Howe'a
"Nazywam się Andrew Howe, jestem przemysłowym naukowcem zajmującym się koloidami/formułowaniem/materią miękką, który od 1988 roku z przyjemnością pracuje z reometrami NETZSCH i ich bezpośrednimi poprzednikami Malvern i Bohlin.
Reometry okazują się nieocenione w projektowaniu materiałów pod kątem maksymalnej wydajności w procesach produkcyjnych i optymalnej wydajności produktu końcowego. Korzystałem z danych reometrycznych podczas opracowywania receptur dla szybkich, wydajnych procesów powlekania i suszenia u mojego byłego pracodawcy, firmy Kodak, oraz do optymalizacji przemieszczania płynów w porowatych geometriach w firmie Schlumberger.
Dziś pracuję w Aqdotfirmie, która powstała na Uniwersytecie Cambridge w 2013 roku. Aqdot komercjalizuje technologię chemii supramolekularnej za pomocą cucurbiturils (lub "CBs"), makrocyklicznych cząsteczek, które są wyjątkowo skutecznymi supramolekularnymi "gospodarzami". CBs wiążą niekowalencyjnie szeroką gamę "gości", w szczególności hydrofobowe, kwaśne, zasadowe i cationic ugrupowania.
Przeprowadzonowiele prac naukowych nad homologami CB (CB[6], CB[7] i CB[8]), ale materiały były dostępne tylko w skali gramowej - nawet wtedy tylko przy dużych kosztach - aż do teraz."
Innowacyjna kontrola zapachów w skali Large
"Aqdot skaluje produkcję CBs do skali wielu ton, a bezpośrednim rynkiem large dla tego materiału jest usuwanie nieprzyjemnych zapachów i lotnych związków organicznych (LZO). Technologia ta umożliwia wiązanie cząsteczek o różnych rozmiarach i właściwościach molekularnych.
Podejście Aqdot polega na licencjonowaniu i dostarczaniu ich produktów na aktywne rynki, w tym do domu i higieny osobistej, tekstyliów i tworzyw sztucznych, w szczególności do zastosowań motoryzacyjnych. Konsekwencją pracy na tak wielu rynkach jest to, że produkty muszą być "płynnie" włączane do wielu rodzajów receptur, a pomiary reologiczne są doskonałym przewodnikiem po tym, jak odnieśliśmy sukces, dostarczając wskazówek, gdzie możemy dokonać korekt, jeśli jest to wymagane.
Reologia dostarcza unikalnych informacji
Zawsze, gdy mamy do czynienia z "miękką" (nie czysto stałą) formułą, reometr zapewnia unikalny wgląd. Jedną z największych zalet reologii jest to, że nie wymaga ona rozcieńczania próbek, tj. materiały mogą być badane w stężeniach docelowych.
Najczęstsze pytania to:
- Czy materiał będzie płynął, czy będzie zawieszony, czy może się rozpylać itp
- Jak wrażliwy jest materiał na stężenie, masę cząsteczkową, temperaturę i siłę Ionic?
- Czy każda partia produktu jest identyczna?
Na wszystkie te pytania można zazwyczaj odpowiedzieć za pomocą prostych pomiarów reometrycznych. Wyniki pomiarów reologicznych są zawsze bezpośrednio przydatne przy projektowaniu produktów i optymalizacji wydajności. Pomiary mogą pomóc zawęzić wybór i przyspieszyć rozwój, a także rozwiązywanie problemów.
Na przykład pomiary reometryczne miały ogromne znaczenie przy opracowywaniu "Oderase", bezzapachowego odświeżacza powietrza na bazie wody, nadającego się do stosowania za pomocą pompki rozpylającej. Starannie dobrane eksperymenty reologiczne pomogły przyspieszyć identyfikację kompozycji o odpowiednich właściwościach i stabilności.
Mój czas w reologii rozpoczął się po dołączeniu do Kodaka. W 1988 r. wybraliśmy reometr rotacyjny Bohlin VOR, przyrząd kontrolujący odkształcenia, jako nasz instrument roboczy. Od tego czasu technologia kontrolowanych naprężeń szybko się rozwinęła, więc po kilku wersjach reometrów Bohlin CS (w Kodak, a następnie Schlumberger) byłem zachwycony, że zarząd Aqdot zatwierdził zakup dwóch reometrów Kinexus Pro+, następców instrumentów Bohlin.
„Wybór instrumentów NETZSCH był łatwą decyzją. Instrumenty mają (i, co ważniejsze, spełniają!) doskonałe specyfikacje. Naukowcy i inżynierowie NETZSCH są zawsze bardzo pomocni, dostarczając jasnych rozwiązań "łatwych" problemów i wnikliwych sugestii, które pomagają sprostać bardziej "pionierskim" lub nowatorskim wyzwaniom.“
Portfolio produktów NETZSCH Kinexus Prime
- Kinexus Prime lab+
- Kinexus Prime pro+
Do badańarch i rozwoju
- Zakres momentu obrotowego - wiskozymetria: 5.0 nNm - 225 mNm
- Zakres momentu obrotowego - oscylacja: 1.0 nNm - 225 mNm
- Kinexus Prime ultra+
Wysokiej klasy reometr spełniający najwyższe wymagania
- Zakres momentu obrotowego - wiskozymetria: 1,0 nNm - 250 mNm
- Zakres momentu obrotowego - oscylacja: 0.5 nNm - 250 mNm
Wyjątkowa obsługa i wsparcie klienta
Wybór tych instrumentów NETZSCH był łatwą decyzją. Instrumenty mają (i, co ważniejsze, spełniają!) doskonałe specyfikacje. Bardzo ważne jest również to, że NETZSCH utrzymuje znakomity serwis i wsparcie klienta. Naukowcy i inżynierowie NETZSCH są zawsze bardzo pomocni, dostarczając jasnych rozwiązań "łatwych" problemów i wnikliwych sugestii, które pomagają sprostać bardziej "pionierskim" lub nowatorskim wyzwaniom.
Od niedawna seminaria internetowe dostarczają dobrych spostrzeżeń i bezpośredniej pomocy dla użytkowników, nie tylko odpowiadając na typowe pytania, ale być może wskazując możliwości nowych sposobów wdrażania instrumentów.
Byłem zachwycony ostatnim seminarium na temat artefaktów reologicznych: zrozumienie artefaktów jest niezbędne do wykonania najlepszych możliwych pomiarów i do opisania, z pewnością, wyników innym.
Polimerowe wspomaganie wydobycia ropy naftowej: Niezwykłe zachowanie przepływu wodnych roztworów polimerów o bardzo wysokiej masie cząsteczkowej
Typowe codzienne pomiary obejmują zarówno ciągłe (krzywe przepływu), jak i oscylacyjne ścinanie (przemiatanie częstotliwości i naprężeń). Praca w przemyśle oznacza, że większość pomiarów nie może zostać ujawniona. Jednak wraz z Andrew Clarke'em i kolegami z firmy Schlumberger opublikowaliśmy serię artykułów na temat nietypowego zachowania przepływu wodnych roztworów polimerów o bardzo wysokiej MW w porowatych mediach, z zastosowaniem do odzyskiwania ropy naftowej[1]
Nasze prace dotyczyły wcześniej zauważonego zjawiska, że w przypadku płynów zawierających elastyczne polimery o bardzo wysokiej MW (>15 MDa), ciśnienie wsteczne wzrasta powyżej lepkości ścinania powyżej krytycznego natężenia przepływu: to krytyczne natężenie było dostępne w warunkach przepływu na polu naftowym. Potwierdziliśmy, że krytyczne natężenie było niezależne od stężenia polimeru, ale zmniejszało się wraz z kwadratem MW polimeru. Takie zależności są bardzo nieoczekiwane.badania mikroprzepływowe wykazały, że przepływ stał się niestabilny powyżej tego krytycznego natężenia przepływu. Byliśmy w stanie odtworzyć niestabilność przepływu w prostym przepływie ścinającym, jak pokazano na rysunku 1 dla częściowo zhydrolizowanego poli(akryloamidu) o bardzo wysokim MW (18-20 MDa).przy niskich prędkościach widoczne jest konwencjonalne zachowanie (rozrzedzenie Newtona), które można dopasować za pomocą modelu Carreau-Yasuda, co daje czas relaksacji lCY. Jednak od 100s-1 występuje pozorne pogrubienie, które na początku wydaje się zaskakujące.
Ten krótszy czas relaksacji lt wzrasta (szybkość początku maleje) wraz z kwadratem MW polimeru, co jest takie samo, jak zaobserwowano w przypadku przepływu tych płynów przez rdzenie skalne (rysunek 2).
Lepkość przy zerowym ścinaniu h(0), czasy relaksacji dla początku przerzedzania lCY iPunkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki. przejście G'=G" (losc) zwiększają się wraz ze stężeniem polimeru C3, podczas gdy początek zagęszczania przy wysokim ścinaniu (przeskalowany jako lPM) i w skale (lcore) są niezależne od stężenia (rysunek 3).
Pogrubienie odpowiada przejściu do niestabilnego przepływu: w pomiarach stopniowego naprężenia w "stanie ustalonym" występuje histereza w pozornej wartości lepkości, podczas gdy w rampie naprężenia (0,3 s przy każdej wartości naprężenia) przepływ jest niestabilny z wahającymi się wartościami "chwilowej" lepkości (rysunek 4).
Punkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki.Przejście do niestabilnego przepływu jest zgodne z "turbulencją elastyczną"[2], zjawiskiem związanym z polimerami o bardzo wysokiej MW przepływającymi w zakrzywionych liniach strumieni: porowate media, takie jak skały, mają wysoce zakrzywione struktury, a geometrie reometryczne znacznie mniej. Jednak nawet niskie poziomy krzywizny w geometrii stożkowo-płytowej są wystarczające do wygenerowania niestabilnego przepływu za pomocą tego mechanizmu[3].
Eksperymenty ze stożkami 1o i 4o dały oczekiwane nakładające się dane przy niskim ścinaniu, ale zagęszczanie/niestabilny przepływ przy dużych prędkościach zaczyna się przy niższych prędkościach ze stożkiem larger-angle.
Zachowanie to bardzo różni się od przepływów wtórnych (wirów Turiana), które pojawiają się przy wyższych prędkościach wraz ze wzrostem lepkości: w przypadku tych polimerów początek niestabilnego przepływu zależy od MW, prędkości i kąta stożka, ale nie od lepkości.
Wnioski
Przed rozpoczęciem tych prac, zrozumienie procesu odzyskiwania ropy naftowej za pomocą polimerów opierało się na prostym lepkosprężystym zachowaniu w porowatych mediach. Badania te wykazały, że przepływ równowagowy nie jest odpowiednim opisem lokalnego zachowania: w turbulencji elastycznej pole przepływu silnie fluktuuje wokół średniej zarówno pod względem kierunku, jak i wielkości, a w konsekwencji jest znacznie bardziej skuteczne w wypieraniu uwięzionego płynu o wysokiej lepkości, takiego jak ropa naftowa, niż można by się spodziewać.
Dane te doprowadziły do predykcyjnego zrozumienia, dlaczego i w jakich warunkach polimery o bardzo wysokiej MW wypierają więcej ropy naftowej niż przewidywano na podstawie ich liniowego zachowania lepkosprężystego. Rola pomiarów reometrycznych za pomocą wysokiej jakości reometrów była kluczowa w uzyskaniu tego zrozumienia.
Podziękowania:
Jak to często bywało, dyskusje z Adrianem Hillem i Shoną Marsh (wsparcie klienta w Wielkiej Brytanii) pomogły w ustaleniu optymalnych warunków eksperymentalnych dla badań ramp/step stress! Darren Tennant utrzymywał reometry w doskonałym stanie"
Andrew, bardzo dziękuję za te interesujące spostrzeżenia dotyczące badańarch oraz za zaufanie, jakim obdarzasz NETZSCH i nasze reometry od dziesięcioleci!
[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. Wpływ masy cząsteczkowej i stężenia MW na początek turbulencji sprężystej w różnych geometriach. A M Howe, A Clarke and 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 Flows and Elastic Turbulence in Three-Dimensional Porous Structures, J Mitchell, K Lyons, A M Howe and 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] Elastyczne turbulencje w przepływie roztworu polimeru A Groisman i V Steinberg, Nature 405, 53 (2000).
efficient mixing at low Reynolds numbers using polymer additives A Groisman and V Steinberg, Nature 410, 905 (2001).
[3] Elastic instability and curved streamlines P Pakdel and G H McKinley, Physical Review Letters, 77, 2459, 1996.