Gassteknologi

Vi vant konkurranse i å forutsi egenskapene til en væske

Overflatespenning er en egenskap ved væsker som bestemmer hvordan dråper og bobler oppfører seg.

Dette er viktig for mange anvendelser, f.eks. i diverse industriprosesser hvor væsker blandes, for rørtransport med flere faser, for biologiske prosesser f.eks. i lungene våre, og når vi vasker opp på kjøkkenet.

Billigere å regne ut enn å måle

Vi kan måle overflatespenningen med forskjellige apparater, men hvis man kan regne eller simulere seg fram til et nøyaktig svar er det enklere, raskere og billigere. Særlig gjelder det når man er interessert i overflatespenningen på høyt trykk og ved høy temperatur.

Både i akademia og i industrien er det populært å gjøre simuleringer der man bruker molekyldynamikk til å regne ut fluidegenskaper, og det avholdes jevnlig en konkurranse kalt Industrial Fluid Properties Simulation Challenge der de beste simuleringsgruppene i verden kappes om å gjøre det best.

I seneste utgave av konkurransen deltok jeg fra SINTEF Energi på laget som vant!

Oppgaven var å simulere overflatespenningen mellom vann og tre forskjellige oljeblandinger ved høyt trykk (18.25 bar) og fire høye temperaturer (110, 130, 150 og 170 °C), og fasiten var gitt av nøyaktige målinger som ble gjort ved Dow Chemical før konkurransestart og holdt hemmelig til konkurransen var avsluttet.

Molekylsimuleringer til å regne ut overflatespenning

Når vi bruker molekyldynamikk-simuleringer til å regne ut overflatespenning, ser vi på en avlang boks som dekker et veldig lite område av en tenkt dråpeoverflate. Inne i denne boksen hopper det rundt forskjellige molekyler som representerer de ulike fluidene, som i figuren under.

Øyeblikksbilde fra molekylsimulering: I dette tilfellet har man vann (til venstre) i kontakt med en oljeblanding som inneholder dodekan og toluen; her ved 150 °C og 18.25 bar trykk. De grønne, triangulære molekylene representerer toluen, mens de grå, lineære molekylene representerer dodekan. Man kan se at noe av vannet er løselig i oljefasen, mens det ikke finnes noe olje i vannet.

Når man har zoomet så langt inn er overflaten i praksis flat, som man kan se på figuren, og man regner ut overflatespenningen fra forskjellen mellom spenningstensorens komponenter langs overflaten og komponenten normalt på overflaten (som tilsvarer trykket ellers i fluidene).

Man kan også regne seg fram til hvordan komponentene fordeler seg mellom fasene, som man ser i plottet nedenfor der man har plottet tettheten av de forskjellige stoffene langs etter simuleringsboksen. Her bekreftes det at vannet er oljefritt, mens oljen inneholder noe vann, og man ser også at toluen absorberes på overflaten mot vann, noe som er typisk siden toluen er polariserbart.

Plott av tettheten av de forskjellige komponentene langs boksen. Man ser at vannet er oljefritt, mens oljefasen inneholder noe vann, og at toluen tiltrekkes av vannoverflaten.

Den som er nærmest fasit vinner

Industrial Fluid Properties Simulation Challenge (IFPSC) er en konkurranse som arrangeres jevnlig av et konsortium som heter CoMSEF, med medlemmer fra AIChE, ACS, NIST, Boeing, Army Research Labs, 3M, Dow Chemical og United Technologies Research Center.

Som navnet antyder, går konkurransen ut på å bruke molekylsimuleringer til å forutsi egenskapene til en væske som er relevant for industrielle anvendelser.

Hvilken egenskap og hvilken væske det dreier seg om varierer fra år til år. Arrangørene setter fasit for konkurransen ved at de måler den valgte egenskapen med eksperimenter, og den simuleringen som er nærmest fasit vinner.

Kjørte simuleringer på superdatamaskin

Undertegnede var med fra SINTEF Energi på ett av lagene i konkurransen, for øvrig bestående av Dr. Carmelo Herdes fra University of Bath, Dr. Andrés Mejia fra Universidad de Concepción og Prof. Erich A. Müller fra Imperial College London.

Dr. Carmelo Herdes og Prof. Erich A. Müller under prisutdelingen i San Francisco

Jeg hadde ansvaret for å sette opp og kjøre simuleringene, som ble gjort på Universitetet i Oslo sin superdatamaskin, samt å analysere resultatene. Sammen med de andre på laget har jeg jobbet med lignende simuleringer på doktorgraden som jeg forsvarte i juni i fjor.

Simuleringene våre er såkalt grovkornet molekyldynamikk, der vi bruker kraftfeltet SAFT-γ Mie som har blitt utviklet på Imperial College over det siste tiåret.

Du kan lese mer om metoden generelt og finne referanser til litteraturen, samt parametere for en lang rekke fluider, på denne linken. Dersom du vil lese mer om akkurat disse simuleringene, kan du glede seg til en tidsskriftartikkel[1] som er innsendt og blir publisert i løpet av året.

Vant foran noen av de beste i verden med mindre regnekraft

Til vår store glede vant vårt lag konkurransen, foran noen av de beste simuleringsgruppene i verden. Andreplassen gikk til gruppa til Ilja Siepmann på Univ. Minnesota, kjent for kraftfeltet TraPPE, og tredjeplassen gikk til gruppa til Huai Sun ved Shanghai Jiao Tong University, kjent for kraftfeltet COMPASS.

Andre grupper som deltok inkluderer Walter Chapman på Rice University med sin iSAFT-DFT metode, Martin Andersson fra Københavns Universitet som brukte COSMO-RS, og Ioannis Economou ved Texas A&M University med PC-SAFT.

Ekstra gøy er det at de fleste andre bidragene brukte teknikker som krever mye mer regnekraft og tradisjonelt er sett på som mer nøyaktige enn grovkornede metoder slik som vi bruker.

[1] Carmelo Herdes, Åsmund Ervik, Andrés Mejía and Erich A. Müller, «Prediction of the water/oil interfacial tension from molecular simulations using the coarse-grained SAFT-γ Mie force field», submitted to Fluid Phase Equilibria, IFPSC Special Section, 2017.