История успеха клиента
Супрамолекулярная химия: От борьбы с запахами до оптимизации нефтеотдачи: Как реометры NETZSCH могут помочь
Полевой отчет Эндрю Хау
"Я - Эндрю Хоу, специалист по промышленным коллоидам/формулам/мягким веществам, который с удовольствием работает с реометрами NETZSCH и их прямыми предшественниками Malvern и Bohlin с 1988 года.
Реометры оказывают неоценимую помощь в разработке материалов, обеспечивающих максимальную эффективность производственных процессов и оптимальные характеристики конечных продуктов. Я использовал реометрические данные при разработке рецептур для быстрых и эффективных процессов нанесения покрытий и сушки в своей бывшей компании Kodak, а также для оптимизации вытеснения жидкостей в пористых геометриях в компании Schlumberger.
Сегодня я работаю в Aqdotкомпании, которая возникла в Кембриджском университете в 2013 году. Aqdot занимается коммерциализацией технологии супрамолекулярной химии на основе огурцов (или "CBs"), макроциклических молекул, которые являются уникальными эффективными супрамолекулярными "хозяевами". CBs нековалентно связывают широкий спектр "гостей", в частности гидрофобные, кислотные, основные и кошачьиIonic молекулы.
Гомологи CB (CB[6], CB[7] и CB[8]) были изучены во многих академических кругах, но до сих пор материалы были доступны только в граммовом масштабе, да и то с большими затратами".
Инновационные технологии борьбы с запахами в масштабах Large
"Компания Aqdot масштабировала производство CBs до многотонного объема, и ближайшим рынком сбыта этого материала large является удаление неприятных запахов и летучих органических соединений (VOC). Технология позволяет связывать молекулы различных размеров и молекулярных характеристик.
Подход компании Aqdot заключается в лицензировании и поставке своей продукции на активные рынки, включая рынки товаров для дома и личной гигиены, текстиля и пластмасс, в частности для автомобильной промышленности. Следствием работы на столь многих рынках является то, что продукция должна быть "органично" включена во многие типы рецептур, и реологические измерения являются отличным ориентиром того, насколько успешно мы справились с этой задачей, и подсказывают, где мы можем внести коррективы, если это необходимо.
Реология позволяет получить уникальные сведения
Когда необходимо рассмотреть "мягкую" (не совсем твердую) рецептуру, реометр позволяет получить уникальные сведения. Одно из главных преимуществ реологии - она не требует разбавления образца, т. е. материалы можно исследовать в целевых концентрациях.
Частыми вопросами являются:
- Будет ли материал течь, будет ли он суспендироваться, может ли он распыляться и т. д.?
- Насколько материал чувствителен к концентрации, молекулярной массе, температуре и Ionic?
- Идентична ли каждая партия продукта?
Все эти вопросы обычно поддаются простым реометрическим измерениям. Результаты реологии всегда непосредственно полезны для разработки продуктов и оптимизации их характеристик. Измерения могут помочь сузить выбор и ускорить разработку, а также устранить проблемы.
Например, реометрические измерения были очень важны при разработке "Oderase" - освежителя воздуха на водной основе без отдушек, пригодного для использования с помощью помпового распылителя. Тщательно подобранные реологические эксперименты помогли ускорить определение состава с подходящими свойствами и стабильностью.
Моя работа в области реологии началась после прихода в компанию Kodak. В 1988 году мы выбрали вращательный реометр Bohlin VOR, прибор с контролем деформации, в качестве нашей рабочей лошадки. С тех пор технология контролируемых напряжений быстро развивалась, поэтому после нескольких версий реометров Bohlin CS (в Kodak, затем в Schlumberger) я был рад, что совет директоров Aqdot одобрил покупку двух реометров Kinexus Pro+, преемников приборов Bohlin.
„Выбор этих приборов NETZSCH был легким решением. Приборы имеют (и, что более важно, соответствуют!) отличные технические характеристики. Ученые и инженеры NETZSCH всегда очень отзывчивы, предоставляют четкие решения "легких" задач и глубокие предложения по преодолению более "пограничных" или новых проблем.“
Портфель продуктов NETZSCH Kinexus Prime
Выдающийся сервис и поддержка клиентов
Выбор этих инструментов NETZSCH был легким решением. Приборы имеют (и, что более важно, соответствуют!) отличные технические характеристики. Также очень важно, что на сайте NETZSCH поддерживается превосходное обслуживание и поддержка клиентов. Ученые и инженеры NETZSCH всегда очень полезны, предоставляя четкие решения для "легких" проблем и глубокие предложения для преодоления более "пограничных" или новых проблем.
В последнее время вебинары помогают пользователям не только отвечать на общие вопросы, но и указывать на новые возможности применения приборов.
Я был в восторге от недавнего семинара по артефактам в реологии: понимание артефактов необходимо для проведения наилучших измерений и для того, чтобы с уверенностью описывать результаты другим.
Полимерное повышение нефтеотдачи: Необычное поведение водных растворов полимеров с очень высоким молекулярным весом
Типичные повседневные измерения включают в себя как непрерывные (кривые потока), так и колебательные сдвиги (развертки частоты и напряжения). Работа в промышленности означает, что большинство измерений не может быть раскрыто. Однако вместе с Эндрю Кларком и коллегами из компании Schlumberger мы опубликовали серию работ, посвященных необычному поведению водных растворов полимеров с очень высокой МВт в пористых средах, в том числе при добыче сырой нефти[1]
В нашей работе мы обратили внимание на ранее отмеченное явление: в жидкостях, содержащих гибкие полимеры с очень высокой МВт (>15 МДа), противодавление возрастает сверх того, что соответствует сдвиговой вязкости, выше критической скорости потока: эта критическая скорость была доступна в условиях нефтепромыслового потока. Мы подтвердили, что критическая скорость не зависит от концентрации полимера, но уменьшается с квадратом его МВт. Такая зависимость была очень неожиданной.микрофлюидические исследования показали, что поток становится нестабильным выше этой критической скорости. Мы смогли воспроизвести нестабильность потока в простом сдвиговом потоке, как показано на рис. 1 для частично гидролизованного поли(акриламида) с очень высокой МВт (18-20 МДа).при низких скоростях наблюдается обычное поведение (ньютоновское утончение по закону мощности), которое может быть подогнано под модель Карро-Ясуды, дающую время релаксации lCY. Однако, начиная со 100 с-1, наблюдается явное утолщение, что поначалу кажется удивительным.
Это более короткое время релаксации lt увеличивается (скорость наступления уменьшается) с квадратом MW полимера, что совпадает с тем, что наблюдается при течении этих жидкостей через керны горных пород (рис. 2).
Вязкость при нулевом сдвиге h(0), время релаксации начала утонения lCY и время перехода G'=G" (losc) увеличиваются с ростом концентрации полимера C3, в то время как начало утолщения при высоком сдвиге (пересчитанное как lPM) и в породе (lcore) не зависит от концентрации (рис. 3).
Сгущение соответствует переходу к неустойчивому течению: при измерениях ступенчатого напряжения в "установившемся" состоянии наблюдается гистерезис в значении кажущейся вязкости, в то время как при скачках напряжения (0,3 с при каждом значении напряжения) течение нестационарно с флуктуирующими значениями "мгновенной" вязкости (рис. 4).
Переход к неустойчивому течению соответствует "упругой турбулентности"[2], явлению, связанному с полимерами с очень высокой МВт, текущими в искривленных потоках: пористые среды, такие как горные породы, имеют сильно искривленные структуры, реометрические геометрии - гораздо меньше. Однако даже низкие уровни кривизны в геометрии конической пластины достаточны для возникновения неустойчивого течения по этому механизму[3].
Эксперименты с конусами 1o и 4o дали ожидаемые совпадающие данные при низком сдвиге, но сгущение/нестабильное течение при высоких скоростях начинается при более низких скоростях при использовании конуса с углом large.
Это поведение сильно отличается от вторичных потоков (вихрей Туриана), которые начинаются при увеличении скорости при увеличении вязкости: для этих полимеров начало нестабильного течения зависит от MW, скорости и угла конуса, но не от вязкости.
Заключение
До этой работы понимание полимерного повышения нефтеотдачи основывалось на простом вязкоупругом поведении пористых сред. Эти исследования показали, что равновесный поток не является подходящим описанием локального поведения: в упругой турбулентности поле потока сильно колеблется вокруг среднего значения как по направлению, так и по величине, и, следовательно, значительно эффективнее вытесняет захваченную высоковязкую жидкость, такую как сырая нефть, чем можно было бы ожидать.
Эти данные позволили прогностически понять, почему и при каких условиях полимеры с очень высокой МВ вытесняют больше нефти, чем предсказывается на основе их линейного вязкоупругого поведения. Роль реометрических измерений с помощью высококачественных реометров была решающей в формировании этого понимания.
Благодарность:
Как это часто бывает, обсуждения с Адрианом Хиллом и Шоной Марш (служба поддержки клиентов в Великобритании) помогли определить оптимальные экспериментальные условия для исследований темпа/шага напряжения! А Даррен Теннант поддерживал реометры в идеальном состоянии"
Эндрю, большое спасибо за эти интересные сведения о вашей исследовательской работеarch и за доверие, которое вы оказываете сайту NETZSCH и нашим реометрам на протяжении десятилетий!
[1] Механизм аномально повышенного вытеснения нефти водными растворами вязкоупругих полимеров, A Clarke, A M Howe, J Mitchell, J Staniland, L Hawkes, K Leeper, Soft Matter, 2015, 11, 3536 - 3541.Вязкоупругое течение концентрированных растворов вязкоупругих полимеров в пористых средах. Влияние молекулярной массы и концентрации MW на возникновение упругой турбулентности в различных геометриях. A M Howe, A Clarke and D Giernalczyk, Soft Matter, (2015) 11 6419 - 6431.
Мониторинг нефтенасыщенности в кернах горных пород в режиме реального времени с помощью низкопольного ЯМР J Mitchell A M Howe, A Clarke Journal of Magnetic Resonance, (2015) 256, 34-42
Потоки полимеров и упругая турбулентность в трехмерных пористых структурах, Дж Митчелл, К Лайонс, А М Хау и А Кларк, Soft Matter, 2016,12, 460-468.
Как затопление вязкоупругими полимерами повышает эффективность вытеснения, 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] Упругая турбулентность в потоке полимерного раствора A Groisman and V Steinberg, Nature 405, 53 (2000).
эффективное перемешивание при низких числах Рейнольдса с использованием полимерных добавок A Groisman and V Steinberg, Nature 410, 905 (2001).
[3] Упругая неустойчивость и искривленные линии потока P Pakdel and G H McKinley, Physical Review Letters, 77, 2459, 1996.