Estudo do efeito da adição de gás condensado sobre o ponto de fluidez e a viscosidade de petróleos pesados

Neste trabalho foi estudado o comportamento de quatro óleos pesados, com densidade API variando de 13,7 a 21,6, frente à adição de gás condensado, com o objetivo de se obter informações relevantes para o processo de escoamento destes óleos. Assim, foi analisado o comportamento da densidade à 20 °C, pontos de fluidez máximo e mínimo, e viscosidade dinâmica à 50 °C dos óleos contendo diferentes concentrações de gás condensado. Também foi analisado o efeito da variação da temperatura sobre a viscosidade dos óleos crus, e, adicionalmente, após o estudo do efeito do gás condensado sobre os óleos, foi avaliado o comportamento da viscosidade dinâmica dos mesmos com a adição de diferentes solventes orgânicos (querosene, aguarrás e tolueno). Os resultados obtidos indicaram que o gás condensado foi eficiente para a redução da densidade, dos pontos de fluidez máximo e mínimo e da viscosidade dos quatros óleos analisados. O óleo A apresentou uma taxa de decaimento da densidade mais baixa do que os outros óleos e foi o que apresentou o comportamento mais próximo de mistura ideal. A amostra de óleo mais pesada (óleo D) foi a que apresentou as maiores variações nos valores dos pontos de fluidez máximo e mínimo com a adição de condensado, chegando a reduzir um total de 19 °C no ponto de fluidez máximo e um total de 21 °C no ponto de fluidez mínimo com a adição de apenas 10,7% v/v de gás condensado. Nos resultados obtidos nas análises da viscosidade dinâmica observou-se que a grande maioria das misturas preparadas apresentou um comportamento de fluido newtoniano. Todas as amostras apresentaram uma notável diminuição da sua viscosidade, chegando a atingir valores percentuais de redução de viscosidade que variaram entre 75 e 91%, na concentração de 14% v/v de gás condensado. A partir desta concentração a viscosidade continua a decair, porém de forma mais atenuada, e o uso do condensado acima desta concentração pode significar gastos desnecessários com o solvente com a finalidade de se reduzir a viscosidade de óleos pesados. O óleo D foi o que apresentou os maiores percentuais de redução da viscosidade enquanto o óleo B foi o que apresentou os mais baixos valores. Comparando o gás condensado aos outros três solventes orgânicos testados, o condensado apresentou um comportamento bem semelhante ao tolueno quando analisadas as suas capacidades de redução da viscosidade dos óleos estudados.

Correlation between grain nutritional content and pasting properties of pre-gelatinized red rice flour

As with any variety of rice, red rice characteristics are subject to varietal differences, growing conditions, types of processing, and nutritional and rheological properties. This study determined the nutritional characteristics (centesimal composition and minerals) and paste viscosity properties of raw grains of four red rice genotypes (Tradicional MNAPB0405, MNACE0501 and MNACH0501) and the paste viscosity properties of pre-gelatinized flours obtained at different cooking times (20, 30 and 40 min). The main nutritional properties were correlated with the pasting properties of the pre-gelatinized flours. The samples showed differences in nutritional properties and paste viscosity. MNAPB0405 and MNACE0501 showed higher levels of fiber and fat and provided higher caloric energy than Tradicional and MNACH0501, which, in turn, showed higher levels of amylose. MNACH0501 showed higher peak viscosity (2402 cP), higher breakdown viscosity (696 cP) and a greater tendency to retrogradation (1510 cP), while Tradicional, MNAPB0405 and MNACE0501 had pasting profiles with peak viscosities varying between 855 and 1093 cP, breaking viscosity below 85 cP and retrogradation tendency between 376 and 1206 cP. The factors genotype and cooking time influenced the rheological behavior of pre-gelatinized flours, decreasing their pasting properties. The protein and amylose levels are correlated with the pasting properties and can be used as indicators of these properties in different genotypes of red rice, whether raw or processed into pre-gelatinized flours.

Influence of grease rheology on thrust ball bearings friction torque

The friction torque and the operating temperatures in a thrust ball bearing were measured for seven different types of greases, including three biodegradable greases having low toxicity. These friction torque tests were performed using a modified Four-Ball machine. Rheological evaluations of the lubricating greases were made using a rheometer. Bleed oils were extracted from the greases and the dynamic viscosities were measured. In order to compare the performance of the lubricant greases in terms of friction, the grease characteristics were related to experimental results, showing that the interaction between thickener and base oil have strong influences in the bearing friction torque.

Densities and refractive indices for the ternary mixture methanol/propan-1-Ol/acetonitrile

Refractive indices, n(D), and densities, rho, at 298.15 K were measured for the ternary mixture methanol (MeOH)/propan-1-ol (1-PrOH)/acetonitrile (MeCN) for a total of 22 mole fractions, along with 18 mole fractions of each of the corresponding binary mixtures, methanol/propan-1-ol, propan-1-ol/acetonitrile and methanol/acetonitrile. The variation of excess refractive indices and excess molar volumes with composition was modeled by the Redlich-Kister polynomial function in the case of binary mixtures and by the Cibulka equation for the ternary mixture. A thermodynamic approach to excess refractive indices, recently proposed by other authors, was applied for the first time to ternary liquid mixtures. Structural effects were identified and interpreted both in the binary and ternary systems. A complex relationship between excess refractive indices and excess molar volumes was identified, revealing all four possible sign combinations between these two properties. Structuring of the mixtures was also discussed on the basis of partial molar volumes of the binary and ternary mixtures.

Viscosity measurements of compressed liquid dipropyl and dibutyl adipates

The paper reports viscosity measurements of compressed liquid dipropyl (DPA) and dibutyl (DBA) adipates obtained with two vibrating wire sensors developed in our group. The vibrating wire instruments were operated in the forced oscillation, or steady-state mode. The viscosity measurements of DPA were carried out in a range of pressures up to 18. MPa and temperatures from (303 to 333). K, and DBA up to 65. MPa and temperature from (303 to 373). K, covering a total range of viscosities from (1.3 to 8.3). mPa. s. The required density data of the liquid samples were obtained in our laboratory using an Anton Paar vibrating tube densimeter and were reported in a previous paper. The viscosity results were correlated with density, using a modified hard-spheres scheme. The root mean square deviation of the data from the correlation is less than (0.21 and 0.32)% and the maximum absolute relative deviations are within (0.43 and 0.81)%, for DPA and DBA respectively. No data for the viscosity of both adipates could be found in the literature. Independent viscosity measurements were also performed, at atmospheric pressure, using an Ubbelohde capillary in order to compare with the vibrating wire results. The expanded uncertainty of these results is estimated as ±1.5% at a 95% confidence level. The two data sets agree within the uncertainty of both methods. © 2015 Published by Elsevier B.V.

Nanocomposite polymer beads for cell detection

Circulating tumor cells (CTCs) may induce metastases when detached from the primary tumor. The numbers of these cells in blood offers a valuable prognostic indication. Magnetoresistive sensing is an attractive option for CTC counting. In this technique, cells are labeled with nancomposite polymer beads that provide the magnetic signal. Bead properties such as size and magnetic content must be optimized in order to be used as a detection tool in a magnetoresistive platform. Another important component of the platform is the magnet required for proper sensing. Both components are addressed in this work. Nanocomposite polymer beads were produced by nano-emulsion and membrane emulsification. Formulations of the oil phase comprising a mixture of aromatic monomers and iron oxide were employed. The effect of emulsifier (surfactant) concentration on bead size was studied. Formulations of polydimethilsiloxane (PDMS) with different viscosities were also prepared with nano-emulsion method resulting in colloidal beads. Polycaprolactone (PCL) beads were also synthetized by the membrane emulsification method. The beads were characterized by different techiques such as dynamic light scattering (DLS), thermogravimetric analysis (TGA) and scanning electron microscopy (SEM). Additionally, the magnet dimensions of the platform designed to detect CTCs were optimized through a COMSOL multiphysics simulation.

Desenvolvimento de uma matriz de sensores piezoresistivos baseados em técnicas de impressão

Dissertação de mestrado em Técnicas de Caracterização e Análise Química

Fundamental studies on natural deep eutectic solvents: physico-chemical, thermal and rheological properties

When combined at particular molar fractions, sugars, aminoacids or organic acids a present a high melting point depression, becoming liquids at room temperature. These are called Natural Deep Eutectic Solvents – NADES and are envisaged to play a major role on the chemical engineering processes of the future. Nonetheless, there is a significant lack of knowledge of its fundamental and basic properties, which is hindering their industrial applications. For this reason it is important to extend the knowledge on these systems, boosting their application development [1]. In this work, we have developed and characterized NADES based on choline chloride, organic acids, amino acids and sugars. Their density, thermal behavior, conductivity and polarity were assessed for different compositions. The conductivity was measured from 0 to 40 °C and the temperature effect was well described by the Vogel-Fulcher-Tammann equation. The morphological characterization of the crystallizable materials was done by polarized optical microscopy that provided also evidence of homogeneity/phase separation. Additionally, the rheological and thermodynamic properties of the NADES and the effect of water content were also studied. The results show these systems have Newtonian behavior and present significant viscosity decrease with temperature and water content, due to increase on the molecular mobility. The anhydrous systems present viscosities that range from higher than 1000Pa.s at 20°C to less than 1Pa.s at 70°C. DSC characterization confirms that for water content as high as 1:1:1 molar ratio, the mixture retains its single phase behavior. The results obtained demonstrate that the NADES properties can be finely tunned by careful selection of its constituents. NADES present the necessary properties for use as extraction solvents. They can be prepared from inexpensive raw materials and tailored for the selective extraction of target molecules. The data produced in this work is hereafter importance for the selection of the most promising candidates avoiding a time consuming and expensive trial and error phase providing also data for the development of models able to predict their properties and the mechanisms that allow the formation of the deep eutectic mixtures.

Viscous fingering in liquid crystals: Anisotropy and morphological transitions

We show that a minimal model for viscous fingering with a nematic liquid crystal in which anisotropy is considered to enter through two different viscosities in two perpendicular directions can be mapped to a twofold anisotropy in the surface tension. We numerically integrate the dynamics of the resulting problem with the phase-field approach to find and characterize a transition between tip splitting and side branching as a function of both anisotropy and dimensionless surface tension. This anisotropy dependence could explain the experimentally observed (reentrant) transition as temperature and applied pressure are varied. Our observations are also consistent with previous experimental evidence in viscous fingering within an etched cell and simulations of solidification.

Rheology of high solids surface size starches

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia pintaliimatärkkelysten reologista käyttäytymistä korkeissa kuiva-ainepitoisuuksissa. Tarve työn suorittamiselle syntyi kun tutkittiin pintaliimausta filminsiirtopuristimella tavallista korkeammissa kuiva-ainepitoisuuksissa, sileän sauvan ollessa applikointilaitteena. Koska applikointi sileällä sauvalla tapahtuu hydrodynaamisten periaatteiden mukaisesti, sen käyttö edellyttää pintaliimojen reologisten ominaisuuksien tarkkaa tuntemusta ja hallintaa.Kiinnostuksen kohteena olevat ominaisuudet olivat tärkkelysten kuiva-ainepitoisuuden (8 – 30 %) vaikutus viskositeettiin eri lämpötiloissa (20, 30, 40 ja 50 ºC), leikkausnopeus alueella 1 s-1 - 700 000 s-1. Myös tärkkelysten myötörajat määritettiin tutkimuksessa. Viskositeetti eri leikkausnopeusalueilla mitattiin seuraavilla laitteilla: Bohlin VOR (matalat leikkausnopeudet ja myötöraja) ja Hercules HiShear (keskitason leikkausnopeudet) reometrit sekä Eklund kapillaariviskometri (korkeat leikkausno-peudet). Analysoidut tärkkelykset olivat kaksi anionista matalaviskoottista peruna (tärkkelys A) ja ohra (tärkkelys C) tärkkelystä, sekä yksi kationinen korkeaviskoottinen peruna tärkkelys (tärkkelys B). Tutkittujen tärkkelysten Brookfield viskositeetit (100 rpm) olivat (10 % liuos, 60 °C:ssa) tärkkelys A ja C: 25 ± 5 mPas ja tärkkelys B: 100 ± 20 mPas.Tärkkelysliuosten kuiva-ainepitoisuuden noustessa muuttui virtauskäyttäytyminen Newtoniaalisesta leikkausohenevaksi. Leikkausoheneva käyttäytyminen oli voimakkainta tärkkelys B:n kohdalla. Viskositeetti – lämpötila riippuvuus korkeissa leikkausnopeuksissa (esim. 500 000 s-1) oli vähäisempää, mitä oli oletettavissa Brookfield viskositeettiarvojen perusteella. Kaikki tarkkelykset osoittautuivat tiksotrooppisiksi, myös tiksotrooppisuus lisääntyi kuiva-ainepitoisuuden kasvaessa. Tärkkelysten myötörajat osoittautuivat odottamattoman alhaisiksi, kuitenkin varsinkin tärkkelys B:n myötörajat olivat selvästi riippuvaisia lämpötilasta ja kuiva-ainepitoisuudesta. Tutkittujen tärkkelysten virtauskäyttäytyminen oli kirjallisuudessa esitetyn kaltaista. Tärkkelysmolekyylien ketjun pituus oli tärkein tärkkelyksen reologisia ominaisuuksia määrittävä tekijä; mitä matalampi on tärkkelyksen molekyylimassa, sitä matalammat ovat viskositeetti ja myötöraja. Pintaliimauksessa tärkkelysmolekyylien ketjunpituudella on suuri vaikutus ajettavuuteen ja lopputuotteen ominaisuuksiin. Haasteellista pintaliimatärkkelyksen valinnassa on sellaisen yhdistelmän löytäminen, jossa sopivan reologisen käyttäytymisen omaava tärkkelys ja pintaliimatulle paperille tai kartongille asetetut vaatimukset kohtaavat.

Stock flow through a drum screen

Tässä diplomityössä haluttiin mallintaa kuidutusrummun toimintaa Fluent virtausmallinusohjelman avulla. Aikaisempi tieto ja kehitystyö on perustunut kokemukseen ja käytännön kokeisiin. Kehitystyön alkuaikoina on suoritettu muutamia laskelmia koskien rummun tuottoa mutta sen jälkeen ei toimintaa ole laskennallisesti kuvattu. Työn ensimmäinen osa käsittelee yleisesti keräyspaperin käsittelyyn liittyviä laitteita ja menetelmiä. Toimintaperiaatteita on kuvattu yleisellä tasolla ja FibreFlow® rumpu on sitten käsitelty muita laitteita tarkemmin. Työn toinen osa sisältää sitten laboratoriotestit paikallisilta tahteilta hankittujen näytteiden viskositeettien ja tiheyksien määrittämiseksi. Kokeet suoritettiin Kemiantekniikan osastolla Brookfield viskoosimetrillä. Joitain alustavia laskentoja tuotosta suoritettiin aikaisempien tietojen perusteella. Rumpua kun on valmistettu vuodesta 1976, on tietoa kertynyt runsaasti vuosien mittaan. Laskelmia varten valittiin mallinnettavaksi alueeksi vain yksittäinen reikä sihdistä jolle laskettiin massavirta. Käytetyt laadut olivat OCC ja DIP. Myös eri rumpukoot otettiin jossain määrin huomioon.

Hydrodynamics and Heat Transfer in an Airlift Reactor

Työn teoriaosassa esitetään kirjallisuudessa esiintyviä teoreettisia ja kokeellisia yhtälöitä nesteen nopeuden, kaasun tilavuusosuuden, painehäviön ja lämmönsiirron laskemiseksi. Lisäksi käsitellään airlift-reaktoreiden toimintaa, rakennetta ja teollisia sovelluksia, sekä sekoitusta ja geometrian vaikutusta airlift-reaktoreiden hydrodynaamisiin ominaisuuksiin. Kokeellisessa osassa kuvataan käytetty koelaitteisto ja mittausmenetelmät sekä esitetään saadut koetulokset. Koelaitteisto on viidellä nousuputkella varustettu ulkoisen kierron airlift-reaktori. Kokeellisessa osassa pyritään ratkaisemaan tällaisessa reaktorissa mahdollisesti esiintyviä ongelmia, kuten "slug flown" muodostuminen nousuputkissa sekä fluidien epätasainen jakautuminen nousuputkiin. Lisäksi tutkitaan erilaisten muuttujien, kuten kaasun tilavuusvirran, nesteen viskositeetin, suutinkoon ja nesteen jakoputken rakenteen, vaikutusta kaasun tilavuusosuuteen ja nesteen nopeuteen nousuputkissa. Nesteen nopeudet mitataan merkkiainemenetelmällä ja kaasun tilavuusosuudet manometrimenetelmällä. Lämmönsiirtoa tutkitaan mittaamalla lämpötilaeroja nousuputkissa NiCr-Ni –termoelementeillä. Mittaustulosten perusteella muokataan korrelaatiot kaasun tilavuusosuudelle ja nesteen tyhjäputkinopeudelle. Korrelaatioista lasketut tulokset sopivat kohtuullisen hyvin yhteen mitattujen tulosten kanssa. "Slug flown" ei todettu muodostuvan ongelmaksi 2.5 mPa s pienemmillä viskositeetin arvoilla 2 metriä pitkissä ja 19 mm halkaisijaltaan olevissa putkissa. Lisäksi todettiin, että kaasu- ja nestefaasien jakautumisongelmat voidaan ratkaista rakenteellisesti.

Chelating Adsorbents in Purification of Hydrometallurgical Solutions

In this thesis, equilibrium and dynamic sorption properties of weakly basic chelating adsorbents were studied to explain removal of copper, nickel from a concentrated zinc sulfate solution in a hydrometallurgical process. Silica-supported chelating composites containing either branched poly(ethyleneimine) (BPEI) or 2-(aminomethyl)pyridine (AMP) as a functional group were used. The adsorbents are commercially available from Purity Systems Inc, USA as WP-1® and CuWRAM®, respectively. The fundamental interactions between the adsorbents, sulfuric acid and metal sulfates were studied in detail and the results were used to find the best conditions for removal of copper and nickel from an authentic ZnSO4 process solution. In particular, the effect of acid concentration and temperature on the separation efficiency was considered. Both experimental and modeling aspectswere covered in all cases. Metal sorption is considerably affected by the chemical properties of the studied adsorbents and by the separation conditions. In the case of WP-1, acid affinity is so high that column separation of copper, nickel and zinc has to be done using the adsorbent in base-form. On the other hand, the basicity of CuWRAM is significantly lower and protonated adsorbent can be used. Increasing temperature decreases the basicity and the metals affinity of both adsorbents, but the uptake capacities remain practically unchanged. Moreover, increasing temperature substantially enhances intra-particle mass transport and decreases viscosities thus allowing significantly higher feed flow rates in the fixed-bed separation. The copper selectivity of both adsorbents is very high even in the presence of a 250-fold excess of zinc. However, because of the basicity of WP-1, metal precipitation is a serious problem and therefore only CuWRAM is suitable for the practical industrial application. The optimum temperature for copper removal appears to be around 60 oC and an alternative solution purification method is proposed. The Ni/Zn selectivity of both WP-1 and CuWRAM is insufficient for removal of the very small amounts of nickel present in the concentrated ZnSO4 solution.

Verhopäällystyspastojen analyysimenetelmät

Diplomityön tarkoitus oli selvittää verhopäällystyspastoille sopivia analyysimenetelmiä. Verhopäällystyksessä onnistunut päällystystapahtuma vaatii venymäviskositeetin ja pintajännityksen hyvää hallintaa. Kirjallisuusosassa käsiteltiin verhopäällystystä, verhopäällystyspastojen koostumusta, reologiaa ja pintajännitystä. Kirjallisuusosassa käsiteltiin lisäksi verhopäällystyspastojen reologian ja pintajännityksen mittaamiseen soveltuvia mittausmenetelmiä. Verhopäällystyksen luonteen vuoksi kirjallisuusosassa syvennyttiin venymäviskositeetin ja dynaamisen pintajännityksen mittaamiseen tarkoitettuihin menetelmiin. Kokeellisessa osassa tutkittiin päällystyspastasarjojen reologiaa ja pintajännitystä verhopäällystystä varten. Osaan päällystyspastoista luotiin venymäviskositeettia ja osasta laskettiin pintajännitystä. Venymäviskositeetin mittaamista varten työssä käytettiin ACAV A2 -reometriin liitettyjä teräsreikälevyjä. Dynaamisen pintajännityksen mittaamista varten työssä käytettiin KSV BPA-800P -pintajännitysmittaria. ACAV A2 -reometriin liitettyjen teräsreikälevyjen (reiän sisähalkaisija 0,5 tai 0,7 mm) avulla mitattiin venymäviskositeettia kuvaavia Eulerin lukuarvoja onnistuneesti suurilla kiintoainepitoisuuksilla (50, 60 tai 65 p %). Erikoispaksuntajan määrää lisäämällä onnistuttiin luomaan huomattavaa venymäviskositeettia. Kiintoainepitoisuuden kasvaessa kasvoi myös venymäviskositeetti. Tavanomaisille paksuntajille mitattiin hieman kohonneita venymäviskositeetteja verrattuna referenssipäällystyspastaan. Pigmenttikoostumuksella (kalsiumkarbonaatti/kaoliini) ei näyttänyt olevan vaikutusta venymäviskositeettiin, tai vaikutus oli suhteellisen pieni. Dynaamisen pintajännityksen mittaamista varten käytössä ollut KSV BPA-800P -pintajännitysmittari ei toiminut luotettavasti, vaikka näytteitä laimennettiin. Kiintoainepitoisuudessa 10 p-% olleilla laimennoksilla saavutettiin analysoinnin kannalta parhaat tulokset. Tuloksista saatiin kuitenkin viitteitä, että kyseinen mittari voisi olla potentiaalinen menetelmä dynaamisen pintajännityksen mittaamiseksi.

Mixing in rotating drums

Tämän diplomityön tarkoitus on parantaa meesauunin toiminnallista tehokkuutta tehostamalla lämmönsiirtoa. Lämmönsiirron parantamiseksi kehitetään erilaisia nostinratkaisuja. Kokeita suoritetaan käyttäen eri sekoitinratkaisuja ja erilaisia prosessiparametreja. Työn kirjallisuusosassa esitetään meesauuni sekä rumpumaisten uunien toiminta. Työssä selvitetään myös sekoituksen analysointiin käytettäviä tapoja ja laskukaavoja. Kirjallisuusosassa keskitytään myös rummussa tapahtuviin fysikaalisiin ilmiöihin sekä erilaisten fluidien reologiaan. Työn kokeellisessa osassa käytettiin LUT Kemiantekniikalla suunniteltua pilot -kokoluokan rumpu-uunia, jolla kokeitaan suoritettiin, käyttäen erilaisia sekoitinratkaisuja ja sekoitusprosessiparametreja. Kokeissa käytettiin myös eri viskositeetin omaavia materiaaleja. Valitut materiaalit olivat vesi, CMC (karboksimetyyliselluloosa) ja kiinteä meesa. Kokeiden tuloksena löydettiin nostinratkaisuja, joilla sekoittumista ja lämmönsiirtoa pystytään parantamaan sekä pidentämään viipymäaikaa.