Povestea de succes a clientului
Chimie supramoleculară: De la controlul mirosului la optimizarea recuperării petrolului: Cum pot ajuta reometrele NETZSCH
Un raport de teren de Andrew Howe
"Sunt Andrew Howe, un cercetător în domeniul coloidelor industriale/formulării/materiei moi, care se bucură de lucrul cu reometrele NETZSCH și cu predecesorii lor direcți Malvern și Bohlin, încă din 1988.
Reometrele se dovedesc neprețuite în proiectarea materialelor pentru o eficiență maximă în procesele de fabricație și pentru o performanță optimă a produsului final. Am folosit date reometrice la formularea unor procese rapide și eficiente de acoperire și uscare la fostul meu angajator, Kodak, și la optimizarea deplasării fluidelor în geometrii poroase la Schlumberger.
Astăzi lucrez la Aqdoto companie care a luat naștere în cadrul Universității Cambridge în 2013. Aqdot comercializează o tehnologie de chimie supramoleculară prin intermediul cucurbiturililor (sau "CBs"), molecule macrociclice care sunt "gazde" supramoleculare deosebit de eficiente. CBs leagă necovalent o mare varietate de "invitați", în special molecule hidrofobe, acide, bazice și cationice.
S-au efectuat multe lucrări academice asupra omologilor CB (CB[6], CB[7] și CB[8]), dar materialele au fost disponibile doar la scara gramului - chiar și atunci doar cu costuri mari - până acum."
Control inovator al mirosurilor la o scară Large
"Aqdot a extins producția de CB-uri la o scară de mai multe tone, iar piața imediată la scară large pentru acest material este eliminarea mirosurilor neplăcute și a COV-urilor (compuși organici volatili). Tehnologia permite legarea de molecule de diferite dimensiuni și caracteristici moleculare.
Abordarea Aqdot constă în licențierea și furnizarea produselor lor și a piețelor active, inclusiv cele de îngrijire personală și a locuinței, textile și materiale plastice, în special pentru aplicații auto. O consecință a lucrului pe atât de multe piețe este că produsele trebuie să fie incluse "fără probleme" în multe tipuri de formulări, iar măsurătorile reologice sunt un ghid excelent al succesului pe care l-am avut, oferind indicii cu privire la locul unde am putea face ajustări, dacă este necesar.
Reologia oferă informații unice
De fiecare dată când trebuie abordată o formulă "moale" (nu pur solidă), reometrul oferă informații unice. Unul dintre marile avantaje ale reologiei este că nu necesită diluarea probei, adică materialele pot fi studiate la concentrații țintă.
Întrebările frecvente sunt:
- Materialul va curge, se va suspenda, este posibil să se pulverizeze etc.?
- Cât de sensibil este materialul la concentrație, greutate moleculară, temperatură și rezistență Ionic?
- Fiecare lot de produs este identic?
Toate aceste întrebări se pot rezolva, de obicei, prin măsurători reometrice simple. Rezultatele reologiei sunt întotdeauna utile în mod direct pentru proiectarea produselor și optimizarea performanțelor. Măsurătorile pot contribui la restrângerea opțiunilor și la accelerarea dezvoltării, precum și la depistarea problemelor.
De exemplu, măsurătorile reometrice au fost de mare importanță în dezvoltarea "Oderase", o formulă de odorizant de aer pe bază de apă, fără parfum, care poate fi utilizată prin pulverizare cu pompa. Experimentele reologice alese cu atenție au contribuit la identificarea rapidă a unei compoziții cu proprietăți și stabilitate adecvate.
Experiența mea în domeniul reologiei a început odată cu intrarea în Kodak. În 1988, am ales ca instrument de lucru un reometru rotațional Bohlin VOR, un instrument cu deformare controlată. De atunci, tehnologia de deformare controlată a avansat rapid, așa că, după mai multe versiuni ale reometrelor Bohlin CS (la Kodak, apoi la Schlumberger), am fost încântat de faptul că consiliul Aqdot a aprobat achiziționarea a două reometre Kinexus Pro+, succesoare ale instrumentelor Bohlin.
“Alegerea acestor instrumente NETZSCH a fost o decizie ușoară. Instrumentele au (și, mai important, îndeplinesc!) specificații excelente. Oamenii de știință și inginerii NETZSCH sunt întotdeauna de mare ajutor, oferind soluții clare la problemele "ușoare" și sugestii perspicace pentru a ajuta la depășirea provocărilor mai "de frontieră" sau noi.”
Portofoliul de produse NETZSCH Kinexus Prime
Servicii excelente și asistență pentru clienți
Alegerea acestor instrumente NETZSCH a fost o decizie ușoară. Instrumentele au (și, mai important, îndeplinesc!) specificații excelente. De asemenea, este esențial ca NETZSCH să mențină serviciile excelente de service și asistență pentru clienți. Oamenii de știință și inginerii NETZSCH sunt întotdeauna de mare ajutor, oferind soluții clare la problemele "ușoare" și sugestii perspicace pentru a ajuta la depășirea provocărilor mai "de frontieră" sau noi.
Mai recent, seminariile web au oferit informații utile și un ajutor direct mai larg pentru utilizatori, nu doar răspunzând la întrebări comune, ci poate indicând oportunități pentru noi moduri în care instrumentele pot fi utilizate.
Am fost încântat de seminarul recent privind artefactele reologice: înțelegerea artefactelor este esențială pentru a efectua cele mai bune măsurători posibile și pentru a putea descrie, cu încredere, rezultatele altora.
Recuperarea îmbunătățită a petrolului cu polimeri: Comportamentul neobișnuit de curgere al soluțiilor apoase de polimeri cu greutate moleculară foarte mare
Măsurătorile tipice de zi cu zi implică atât forfecare continuă (curbe de curgere), cât și forfecare oscilatorie (baleiaj de frecvență și tensiune). Lucrul în industrie înseamnă că majoritatea măsurătorilor nu pot fi divulgate. Cu toate acestea, împreună cu Andrew Clarke și colegii de la Schlumberger, am publicat o serie de lucrări privind comportamentul neobișnuit al curgerii soluțiilor apoase de polimeri cu MW foarte mare în medii poroase, aplicația fiind recuperarea țițeiului[1]
Lucrarea noastră a urmărit fenomenul observat anterior, conform căruia, în cazul fluidelor care conțin polimeri flexibili cu MW extrem de mare (>15 MDa), presiunile de refulare au crescut peste cele care corespund vâscozității de forfecare peste o rată critică de curgere: această rată critică a fost accesibilă în condițiile de curgere din câmpurile petroliere. Am confirmat că rata critică a fost independentă de concentrația polimerului, dar a scăzut cu pătratul MW al polimerului. Astfel de dependențe sunt foarte neașteptate.studiile microfluidice au indicat că fluxul devine instabil peste această rată critică a debitului. Am reușit să reproducem instabilitatea fluxului în flux de forfecare simplu, după cum se demonstrează în figura 1 pentru poli(acrilamidă) parțial hidrolizată cu MW foarte mare (18-20 MDa).la viteze mici, apare un comportament convențional (subțiere newtoniană de tip power-law) care poate fi ajustat cu un model Carreau-Yasuda, care dă un timp de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare lCY. Cu toate acestea, există o îngroșare aparentă de la 100s-1 care, la început, pare surprinzătoare.
Acest timp de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare mai scurtlt crește (rata de declanșare scade) cu pătratul MW al polimerului, ceea ce este identic cu ceea ce se observă la curgerea acestor fluide prin carote de rocă (figura 2).
Vâscozitatea la forfecare zero h(0), timpii de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare pentru începutul subțierii lCY și trecerea G'=G" (losc) cresc în funcție de concentrația polimeruluiC3, în timp ce începutul îngroșării la forfecare mare (redimensionat ca lPM) și în rocă (lcore) sunt independente de concentrație (figura 3).
Îngroșarea corespunde unei tranziții către o curgere instabilă: în măsurătorile "în regim staționar" ale tensiunii în trepte există o histerezis în valoarea vâscozității aparente, în timp ce în rampă (0,3 s la fiecare valoare a tensiunii) curgerea este instabilă, cu valori fluctuante ale vâscozității "instantanee" (figura 4).
Trecerea la un flux instabil este în concordanță cu "turbulența elastică"[2], un fenomen asociat cu polimerii cu MW foarte mare care curg în linii curbe: mediile poroase, cum ar fi rocile, au structuri foarte curbe, iar geometriile reometrice mult mai puțin. Cu toate acestea, chiar și nivelurile scăzute de curbură într-o geometrie de placă conică sunt suficiente pentru a genera un flux instabil prin acest mecanism[3].
Experimentele cu conuri de1o și 4o au produs datele preconizate de suprapunere la o forfecare scăzută, dar îngroșarea/fluxul instabil la viteze mari începe la viteze mai mici cu conul cu unghi mai mare.
Acest comportament este foarte diferit de fluxurile secundare (vortexuri Turian) care apar la o viteză mai mare la creșterea vâscozității: pentru acești polimeri, apariția fluxului instabil depinde de MW, viteză și unghiul conului, dar nu și de vâscozitate.
Concluzie
Înainte de această lucrare, înțelegerea recuperării îmbunătățite a petrolului prin polimeri se baza pe un comportament viscoelastic simplu în medii poroase. Aceste studii au demonstrat că fluxul de echilibru nu este o descriere adecvată a comportamentului local: în turbulența elastică, câmpul de curgere fluctuează puternic în jurul mediei atât în ceea ce privește direcția, cât și magnitudinea și, în consecință, este mult mai eficient în deplasarea unui fluid cu vâscozitate ridicată prins în capcană, cum ar fi țițeiul, decât ar fi de așteptat.
Aceste date au condus la o înțelegere predictivă a motivului pentru care și în ce condiții polimerii cu MW foarte mare deplasează mai mult petrol decât se prevede din comportamentul lor vâscoelastic liniar. Rolul măsurătorilor reometrice efectuate cu reometre de înaltă calitate a fost esențial în obținerea acestei înțelegeri.
Recunoștințe:
Așa cum s-a întâmplat adesea, discuțiile cu Adrian Hill și Shona Marsh (serviciul de asistență pentru clienți din Regatul Unit) au contribuit la orientarea condițiilor experimentale optime pentru studiile de solicitare în rampă/pas! Iar Darren Tennant a menținut reometrele în condiții optime."
Andrew, îți mulțumesc foarte mult pentru aceste perspective interesante asupra activității tale de cercetare și pentru încrederea pe care o acorzi de decenii în NETZSCH și în reometrele noastre!
[1] Mecanismul de deplasare anormal de crescut a uleiului cu soluții apoase de polimeri viscoelastici, 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. Efectul greutății moleculare și al concentrației MW asupra apariției turbulenței elastice în diferite geometrii. A M Howe, A Clarke și D Giernalczyk, Soft Matter, (2015) 11 6419 - 6431.
Monitorizarea în timp real a saturației de petrol în carote de rocă cu RMN cu câmp scăzut 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 și 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] Turbulență elastică într-un flux de soluție polimerică A Groisman și V Steinberg, Nature 405, 53 (2000).
amestecare eficientă la numere mici de Reynolds utilizând aditivi polimerici A Groisman și V Steinberg, Nature 410, 905 (2001).
[3] Instabilitatea elastică și liniile curbe ale curentului P Pakdel și G H McKinley, Physical Review Letters, 77, 2459, 1996.