Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4472
Main Title: Interphase mass transfer in porous media
Translated Title: Der Massentransfer zwischen Flüssigkeiten in porösen Medien
Author(s): Agaoglu, Berken
Advisor(s): Scheytt, Traugott
Referee(s): Scheytt, Traugott
Hinkelmann, Reinhard
Copty, Nadim K.
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Massentransfer zwischen mehreren Flüssigkeiten in porösen Medien ist ein wichtiger Bestandteil von Transport-Phänomenen in der Natur und hat eine große Bedeutung in unterschiedlichen Bereichen der Wissenschaft und Technologie wie Ölgewinnung, Grundwassersanierung und Injektion und Einlagerung von CO2 in tiefen salinen Aquiferen. In der vorliegenden Studie werden verschiedene Aspekte dieses Prozesses mittels experimenteller und theoretischer Arbeiten untersucht. Die Untersuchungen beinhalten auch unterschiedliche Paare von Fluiden, um den Einfluss der grundlegenden Flüssigkeitseigenschaften auf diesen Prozess zu untersuchen. Der Einfluss der charakteristischen Eigenschaften von porösem Medium und von Phasenbildungen auf diesen Prozess stellen einen zentralen Punkt dar. Der Massentransfer zwischen Flüssigkeiten in porösen Medien umfasst eine Reihe komplexer Prozesse hauptsächlich hinsichtlich der Komplexität der Strömung in porösen Medien. Die Tatsache, dass die Grenzfläche zwischen unterschiedlichen Phasen von Mehrphasen-Strömungsvorgängen gebildet wird, verursacht weitere Komplikationen. Die Veränderung der chemischen Eigenschaften zwischen verschiedenen Fluidpaaren stellt einen weiteren Aspekt dar, weil jedes Fluidpaar spezifische Interaktionen umfassen kann, z.B. Interaktionen zwischen Kosolventlösungen und organischen Phasen im Vergleich zu Interaktionen zwischen Tensidlösungen und organischen Phasen. Trotz der Beteiligung unterschiedlicher Forschungsrichtungen und der entsprechenden Komplexität gibt es keine integrierende Zusammenschau zu diesem Thema in der Literatur. Um diese Mängel anzugehen, ist eine Teil der Dissertation der Überprüfung der zahlreichen wissenschaftlichen Artikel, die diesen Prozess untersuchen, gewidmet. In diesem Review dienen die charakteristische Längenskala der vorhandenen Untersuchungen und die Strömungskonfigurationen der Flüssigkeiten in porösen Medien als Grundlage zur Gruppierung der Studien. Neben den vorhandenen experimentellen Arbeiten fanden auch auch analytische und numerische Modelle Berücksichtigung. Diese Arbeit bietet ein ganzheitliches Verständnis des Massentransfers zwischen unterschiedlichen Phasen in porösen Medien, wo die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Systemparametern, die durch Mehrphasenströmungsverhältnisse auftreten, dargelegt werden. Die Auswirkungen von Mechanismen auf der Porenskala auf dem Massenaustauch können entscheidend sein. Allerdings sind die meisten Untersuchungen auf der Mesoskala durgeführt worden. Hier wurden die Mechanismen der Porenskala durch ein numerisches Modell auf der Porenskala untersucht. Die Ergebnisse des numerischen Modells zeigen, dass die Verteilung des "non-aqueous phase liquid" (NAPL) auf der Porenskala erheblichen Einfluss auf die entwickelten mesoskaligen Massentransfer-Korrelationen hat. Besonders die geometrischen Zuordnungen der Grenzfläche, die die tatsächliche Domäne für Massentransfer darstellt, haben einen unmittelbaren Einfluss. Der Grund dafür ist die Änderung des Konzentrationsprofils auf der Porenskala. Die Ergebnisse zeigen auch, dass die Grenzfläche mit dem Massentransfer aufgrund dieser Änderung nicht linear korreliert. Ein besonderes Ergebnis war, dass die gleiche Grenzfläche zu einer Größenordnung geringeren Massenaustausch führen kann, wenn die Ausrichtung bezüglich der Fließrichtung von der senkrechten hin zu einer parallelen Fließrichtung geändert wird. Die expliziten Massentransferkoeffizienten sollen diesen Effekt berücksichtigen. Jedoch sind die bestehenden Korrelationen von Massentransferkoeffizienten meistens abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit der Lösemittelphase und die Auswirkung der räumlichen Verteilung der Grenzfläche ist nicht berücksichtigt. Mehrere chemische Substanzen wurden in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt, um den Massenaustausch zu erhöhen, z.B. Kosolvent- und Tensidlösungen in der Erdöl- und Umwelttechnik. Dementsprechend wurde die Kombination von Ethanol als chemisches Mittel und Wasser im Hinblick auf ihre Auswirkungen auf die Gewinnung des NAPL Toluol aus wassergesättigten porösen Medien untersucht. Die beiden Gewinnungsmechanismen, vergrößerte Löslichkeit (enhanced solubilization) und Mobilisierung, wurden durch Säulenversuche bestimmt. Es wurde gezeigt, dass es eine Wechselwirkung zwischen diesen beiden Mechanismen gibt, die zu einer Verringerung der Grenzflächenspannung führt (bei Verwendung von mittleren Ethanolgehalten in der Spüllösung). Dies wiederum führt zur Schaffung von präferentiellen Fließwegen, die eine steile Abnahme in der Massenaustausch bewirkt. Dieses wurde durch den niedrigeren Kapillardruck bei vorliegenden größeren Porenengstellen erklärt. Bedeutsam ist, dass bei langsamen Fließgeschwindigkeiten eine Entstehung dieser präferentiellen Fließwege vermieden werden kann und damit auch die negative Auswirkung auf dem Massenaustausch. Zusammen mit den Säulenversuchen wurde ein REV (Repräsentatives Elementarvolumen) basiertes numerisches Mehrphasen-Mehrkomponenten- Modell eingesetzt, um zu untersuchen, ob dieses Verhalten durch das Modell simuliert werden kann. Das einzig verfügbare numerische Modell, das den Einsatz von Kosolventen modellieren kann, UTCHEM, wurde für diesen Zweck verwendet. Es wurde festgestellt, dass die erwähnten Porenengstellen und präferentiellen Fließwege nicht zufriedenstellend simuliert werden können. In solchen numerischen Modellen werden die Zustände auf der Porenskala durch Massenaustausch-Gleichungen (d.h. Sherwood Gleichungen) repräsentiert. Dementsprechend wurde festgestellt, dass die besondere Wirkung dieser chemischen Substanzen auf die Grenzflächenspannung und Löslichkeit spezifische Massenaustausch-Korrelationen mit entsprechend angepassten Gleichungen erfordert. Allerdings gibt es in der Literatur bisher keine Sherwood Formulierung, die das Auftreten solcher chemischen Substanzen berücksichtigt. Der letzte Teil der Untersuchungen beschäftigt sich mit der seit langem bekannten Sherwood Gleichung, die in mehreren numerischen Mehrphasenmodellen Verwendung findet. Allerdings ist keine analytische Untersuchung für diese Sherwood-Gleichung vorhanden, so dass die allgemeine Gültigkeit bezweifelt wird. Um dieser Frage nachzugehen, wurde eine detaillierte Analyse dieser Gleichung durchgeführt. Es zeigte sich, dass diese allgemein bekannte Sherwood-Gleichung einen grundlegenden mathematischen Fehler enthält. Dadurch ist die Gleichung unbrauchbar. Darüber hinaus wurde auch gezeigt, dass die ursprünglichen Daten, auf der die Sherwood-Gleichung beruht, einen hohen Unsicherheitsgrad enthalten und deswegen auch die korrigierte Version dieser Gleichung von zweifelhaftem Wert ist. Die Folge dieses Fehlers führt zu falschen Ergebnissen einigen aktuellen Veröffentlichungen, die diese Sherwood Gleichung in einer bestimmten Art von REV basierten numerischen Modellen verwenden. Die vorliegende Arbeit beweist die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Parametern des Massentransfers zwischen mehrere Flüssigkeiten in porösen Medien. Da die Vorhersagegenauigkeit des Massenaustauschs durch die genaue Berücksichtigung dieser Parameter und der dazugehörigen Wechselwirkungen bestimmt wird, muss der Inhalt der zukünftigen Forschung die Charakterisierung des Systems auf verschiedenen Skalen zum Inhalt haben. Die Berücksichtigung der Porenskala und die daraus gewonnenen Erkenntnisse für die anderen Skalen dürften dabei von entscheidender Bedeutung sein.
Interphase mass transfer between fluids in porous media is an important part of transport phenomenon in nature and found distinct applications in different fields of science and technology such as oil extraction, Non-aqueous phase liquid (NAPL) remediation and CO2 injection into deep saline aquifers. In this study different aspects of this process are investigated in terms of both experimental and computational work. The investigations incorporated also different couples of fluids to examine the impact of fundamental fluid properties on this process. Influence of characteristic fluid/porous medium properties and phase formations on this process constitutes a major point of focus. Interphase mass transfer in porous media involves a number of complex processes mostly in relevance with the complexity of the flow in porous media. The interfacial domains being formed by multiphase flow processes cause further complications. The alteration of the fluid properties due to interactions occurring between different types of fluid couples is also a formidable subject as each fluid pair may entail unique interactions e.g., the different interactions between cosolvent containing aqueous solutions and organic phase compared to surfactant containing aqueous solutions and organic phase. Despite the association of diverse fields of science and the complexity appearing in this process, there is not an integral review of this topic in the literature. To address this absence part of this thesis is dedicated to review the numerous scientific articles committed to investigate interphase mass transfer. In this review, characteristic length scale of the existing literature and the flow configurations of the fluids in porous media served as a foundation to group studies with similar conditions. Apart from the experimental work also both analytical and numerical models were reviewed. This work provides a unified comprehension of interphase mass transfer in porous media where the cross interactions between different system parameters due to multiphase flow conditions are revealed. The impact of pore scale mechanisms on interphase mass transfer is not a subject that is investigated in detail as the most of the investigations focusing on interphase mass transfer are conducted at meso-scale. To investigate the impact of pore scale mechanisms a pore scale numerical model is developed. The results of the numerical model demonstrated that the distribution of NAPL at the pore scale has a large impact on the developed meso-scale interphase mass transfer correlations. Especially the geometric allocations of interfacial area which makes up the actual domain for interphase mass transfer were shown to have considerable impact. The reason for that was observed to be the alteration of the concentration profile at pore scale. The results also showed that the interfacial area is not linearly correlated to interphase mass transfer rate due to this alteration. A particular result was that the same interfacial area can lead to an order of magnitude lower interphase mass transfer rate if the orientation with respect to flow direction is changed from orthogonal to parallel. The explicit mass transfer coefficients, which are derived by considering the impact of interfacial area separately, are supposed to consider this effect. It was pointed out that the existing correlations of mass transfer coefficient are mostly dependent on flow velocity of solvent phase and do not consider the impact of the spatial distribution of the interfacial area. Several chemical agents have found significant use in different fields to enhance interphase mass transfer e.g., cosolvents and surfactants in petroleum and environmental engineering. Accordingly, the combination of ethanol as a chemical agent with water was examined with respect to its impact on the recovery of NAPL toluene from water saturated porous medium. The two recovery mechanisms, enhanced solubilization and mobilization, were inspected through column experiments. It was demonstrated that there is an interaction between these two mechanisms such that the sufficient reduction of interfacial tension (with use of intermediate ethanol contents in the flushing solution) leads to creation of preferential flow paths inducing a steep decrease in the interphase mass transfer rates. This was attributed to the existence of lower capillary pressure present at larger pore throats. It was demonstrated that solvent solutions applied at slow velocities may prevent the creation of such preferential flow paths and the reduced interphase mass transfer rates. Along with the column experiments, an REV (Representative elementary volume) based multiphase multicomponent numerical model was also used to investigate if this condition is captured by the model. The only available numerical model that can simulate cosolvent use, UTCHEM, is employed for this purpose. It was shown that this pore scale condition cannot be simulated. In such numerical models these pore scale conditions are considered within the interphase mass transfer formulations (i.e., Sherwood formulations) adopted in the model. However in literature there is not a Sherwood formulation that is developed for the cases where such chemical agents are present. Recently a long known Sherwood formulation found significant use in several multiphase numerical models. However no analysis of this Sherwood formulation exists and therefore its validity is dubious. To address this absence in literature a detailed analysis of this formulation is conducted. It was demonstrated that this particular Sherwood formulation involves a fundamental mathematical error that renders it unusable. Moreover, it was also demonstrated that the original data used by this Sherwood formulation incorporates a high level of uncertainty meaning that even the corrected version of this formulation is not eligible to be used in a numerical model. The implication of this error is the invalidity of the results presented in some recent publications that used this Sherwood formulation in a certain type of REV based numerical model. The thesis in hand attests to the cross interactions between various parameters involved in interphase mass transfer in porous medium. As the predictive accuracy of interphase mass transfer dictates the consideration of these parameters and interactions fairly well, further research must set sight on the clear characterization of the system at various length scales. With that perspective potential areas for future research are also highlighted.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-66449
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4769
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4472
Exam Date: 18-May-2015
Issue Date: 26-May-2015
Date Available: 26-May-2015
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Massentransfer
Mehrphasenfliessen in porösen Medien
Numerische Modellierung
Sherwood Nummer
Mass transfer
Multiphase flow in porous media
Numerical modeling
Sherwood number
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