Finite element modeling of fluid-rock interaction problems in pore-fluid saturated hydrothermal/sedimentary basins

In order to use the finite element method for solving fluid-rock interaction problems in pore-fluid saturated hydrothermal/sedimentary basins effectively and efficiently, we have presented, in this paper, the new concept and numerical algorithms to deal with the fundamental issues associated with the fluid-rock interaction problems. These fundamental issues are often overlooked by some purely numerical modelers. (1) Since the fluid-rock interaction problem involves heterogeneous chemical reactions between reactive aqueous chemical species in the pore-fluid and solid minerals in the rock masses, it is necessary to develop the new concept of the generalized concentration of a solid mineral, so that two types of reactive mass transport equations, namely, the conventional mass transport equation for the aqueous chemical species in the pore-fluid and the degenerated mass transport equation for the solid minerals in the rock mass, can be solved simultaneously in computation. (2) Since the reaction area between the pore-fluid and mineral surfaces is basically a function of the generalized concentration of the solid mineral, there is a definite need to appropriately consider the dependence of the dissolution rate of a dissolving mineral on its generalized concentration in the numerical analysis. (3) Considering the direct consequence of the porosity evolution with time in the transient analysis of fluid-rock interaction problems; we have proposed the term splitting algorithm and the concept of the equivalent source/sink terms in mass transport equations so that the problem of variable mesh Peclet number and Courant number has been successfully converted into the problem of constant mesh Peclet and Courant numbers. The numerical results from an application example have demonstrated the usefulness of the proposed concepts and the robustness of the proposed numerical algorithms in dealing with fluid-rock interaction problems in pore-fluid saturated hydrothermal/sedimentary basins. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Computer simulations of coupled problems in geological and geochemical systems

The finite element method is used to simulate coupled problems, which describe the related physical and chemical processes of ore body formation and mineralization, in geological and geochemical systems. The main purpose of this paper is to illustrate some simulation results for different types of modelling problems in pore-fluid saturated rock masses. The aims of the simulation results presented in this paper are: (1) getting a better understanding of the processes and mechanisms of ore body formation and mineralization in the upper crust of the Earth; (2) demonstrating the usefulness and applicability of the finite element method in dealing with a wide range of coupled problems in geological and geochemical systems; (3) qualitatively establishing a set of showcase problems, against which any numerical method and computer package can be reasonably validated. (C) 2002 Published by Elsevier Science B.V.

Theoretical and numerical analyses of convective instability in porous media with temperature-dependent viscosity

Exact analytical solutions of the critical Rayleigh numbers have been obtained for a hydrothermal system consisting of a horizontal porous layer with temperature-dependent viscosity. The boundary conditions considered are constant temperature and zero vertical Darcy velocity at both the top and bottom of the layer. Not only can the derived analytical solutions be readily used to examine the effect of the temperature-dependent viscosity on the temperature-gradient driven convective flow, but also they can be used to validate the numerical methods such as the finite-element method and finite-difference method for dealing with the same kind of problem. The related analytical and numerical results demonstrated that the temperature-dependent viscosity destabilizes the temperature-gradient driven convective flow and therefore, may affect the ore body formation and mineralization in the upper crust of the Earth. Copyright (C) 2003 John Wiley Sons, Ltd.

Modeling of columnar-to-equiaxed transition in solidified Al-Si alloys

A Cellular-Automaton Finite-Volume-Method (CAFVM) algorithm has been developed, coupling with macroscopic model for heat transfer calculation and microscopic models for nucleation and growth. The solution equations have been solved to determine the time-dependent constitutional undercooling and interface retardation during solidification. The constitutional undercooling is then coupled into the CAFVM algorithm to investigate both the effects of thermal and constitutional undercooling on columnar growth and crystal selection in the columnar zone, and formation of equiaxed crystals in the bulk liquid. The model cannot only simulate microstructures of alloys but also investigates nucleation mechanisms and growth kinetics of alloys solidified with various solute concentrations and solidification morphologies.

Numerical modelling of chemical effects of magma solidification problems in porous rocks

The solidification of intruded magma in porous rocks can result in the following two consequences: (1) the heat release due to the solidification of the interface between the rock and intruded magma and (2) the mass release of the volatile fluids in the region where the intruded magma is solidified into the rock. Traditionally, the intruded magma solidification problem is treated as a moving interface (i.e. the solidification interface between the rock and intruded magma) problem to consider these consequences in conventional numerical methods. This paper presents an alternative new approach to simulate thermal and chemical consequences/effects of magma intrusion in geological systems, which are composed of porous rocks. In the proposed new approach and algorithm, the original magma solidification problem with a moving boundary between the rock and intruded magma is transformed into a new problem without the moving boundary but with the proposed mass source and physically equivalent heat source. The major advantage in using the proposed equivalent algorithm is that a fixed mesh of finite elements with a variable integration time-step can be employed to simulate the consequences and effects of the intruded magma solidification using the conventional finite element method. The correctness and usefulness of the proposed equivalent algorithm have been demonstrated by a benchmark magma solidification problem. Copyright (c) 2005 John Wiley & Sons, Ltd.

Numerical simulation of double-diffusion driven convective flow and rock alteration in three-dimensional fluid-saturated geological fault zones

Numerical methods are used to simulate the double-diffusion driven convective pore-fluid flow and rock alteration in three-dimensional fluid-saturated geological fault zones. The double diffusion is caused by a combination of both the positive upward temperature gradient and the positive downward salinity concentration gradient within a three-dimensional fluid-saturated geological fault zone, which is assumed to be more permeable than its surrounding rocks. In order to ensure the physical meaningfulness of the obtained numerical solutions, the numerical method used in this study is validated by a benchmark problem, for which the analytical solution to the critical Rayleigh number of the system is available. The theoretical value of the critical Rayleigh number of a three-dimensional fluid-saturated geological fault zone system can be used to judge whether or not the double-diffusion driven convective pore-fluid flow can take place within the system. After the possibility of triggering the double-diffusion driven convective pore-fluid flow is theoretically validated for the numerical model of a three-dimensional fluid-saturated geological fault zone system, the corresponding numerical solutions for the convective flow and temperature are directly coupled with a geochemical system. Through the numerical simulation of the coupled system between the convective fluid flow, heat transfer, mass transport and chemical reactions, we have investigated the effect of the double-diffusion driven convective pore-fluid flow on the rock alteration, which is the direct consequence of mineral redistribution due to its dissolution, transportation and precipitation, within the three-dimensional fluid-saturated geological fault zone system. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

The application of electron microscopy and microanalysis in conjunction with organic petrology to further the understanding of organic-mineral association: examples from Mount Isa and McArthur Basins, Australia

Organic petrology supported by electron microscopical and micro-analytical techniques was applied to organic matter in Proterozoic sediments to better understand hydrothermal processes responsible for ore-grade mineralisation. It was shown that organic maturation was not only closely linked to the geological history of the sediments, but also highlighted heat transfer by convection as differentiated from conduction solely through sediment burial and step-wise subsidence. Water-rock ratios effect organic maturation in hydrothermal systems, and erratic reflectance profiles are indicators of convective heat transfer. Identification and characterisation of organic materials in terms of source rock and migrated hydrocarbons was shown to be a powerful tool in reconstructing the thermal history of sediments, identifying hydrothermal episodes, fluid pathways and heat source in the northern Australian Proterozoic basins. Higher reflectance of organic matter towards the central parts of the Mount Isa Basin and some of the most northerly parts point to proximity to higher heat flow at times, in contrast to relatively low temperatures prevailing in the western parts of the basin, next to the Murphy Inlier. A close correlation shown between peak organic reflectance values and super-sequence boundaries farther highlighted the valuable information to be gained from organic petrology, by allowing the separation of processes responsible for metal dissolution and transportation from those inducing precipitation. (C) 2001 Elsevier Science B.V All rights reserved.

A generalised dynamic model for char particle gasification with structure evolution and peripheral fragmentation

A generalised model for the prediction of single char particle gasification dynamics, accounting for multi-component mass transfer with chemical reaction, heat transfer, as well as structure evolution and peripheral fragmentation is developed in this paper. Maxwell-Stefan analysis is uniquely applied to both micro and macropores within the framework of the dusty-gas model to account for the bidisperse nature of the char, which differs significantly from the conventional models that are based on a single pore type. The peripheral fragmentation and random-pore correlation incorporated into the model enable prediction of structure/reactivity relationships. The occurrence of chemical reaction within the boundary layer reported by Biggs and Agarwal (Chem. Eng. Sci. 52 (1997) 941) has been confirmed through an analysis of CO/CO2 product ratio obtained from model simulations. However, it is also quantitatively observed that the significance of boundary layer reaction reduces notably with the reduction of oxygen concentration in the flue gas, operational pressure and film thickness. Computations have also shown that in the presence of diffusional gradients peripheral fragmentation occurs in the early stages on the surface, after which conversion quickens significantly due to small particle size. Results of the early commencement of peripheral fragmentation at relatively low overall conversion obtained from a large number of simulations agree well with experimental observations reported by Feng and Bhatia (Energy & Fuels 14 (2000) 297). Comprehensive analysis of simulation results is carried out based on well accepted physical principles to rationalise model prediction. (C) 2001 Elsevier Science Ltd. AH rights reserved.

Polymer product engineering utilising oscillatory baffled reactors

The Oscillatory baffled reactor (OBR) can be used to produce particles with controlled size and morphology, in batch or continuous flow. This is due to the effect of the superimposed oscillations that radially mixes fluid but still allows plug-flow (or close to plug flow) behaviour in a continuous system. This mixing, combined with a close to a constant level of turbulence intensity in the reactor, leads to tight droplet and subsequent product particle size distributions. By applying population balance equations together with experimental droplet size distributions, breakage rates of droplets can be determined and this is a useful tool for understanding the product engineering in OBRs. (C) 2002 Elsevier Science B.V All rights reserved.

Numerical investigation of turbulent flow around a rotating stepped cylinder for corrosion study

Direct numerical simulation has been carried out for turbulent flow set up by a rotating cylinder with two backward-facing steps axisymmetrically mounted in the circumferential direction. This flow geometry creates a qualitatively similar flow pattern as observed near, a sudden, pipe expansion or a plane backward-facing step, characterized by flow separation and reattachment. A region of intense turbulence intensity and high wall-shear-stress fluctuations is formed in,the recirculating I region downstream of the step, where high mass-transfer capacity was also experimentally observed. Since, corrosion is frequently mass-transfer., controlled, our findings, put forward this apparatus as useful tool for future corrosion research.

Use of confocal microscopy to follow the development of penetrative hyphae during growth of Rhizopus oligosporus in an artificial solid-state fermentation system

Two methods were compared for determining the concentration of penetrative biomass during growth of Rhizopus oligosporus on an artificial solid substrate consisting of an inert gel and starch as the sole source of carbon and energy. The first method was based on the use of a hand microtome to make sections of approximately 0.2- to 0.4-mm thickness parallel to the substrate surface and the determination of the glucosamine content in each slice. Use of glucosamine measurements to estimate biomass concentrations was shown to be problematic due to the large variations in glucosamine content with mycelial age. The second method was a novel method based on the use of confocal scanning laser microscopy to estimate the fractional volume occupied by the biomass. Although it is not simple to translate fractional volumes into dry weights of hyphae due to the lack of experimentally determined conversion factors, measurement of the fractional volumes in themselves is useful for characterizing fungal penetration into the substrate. Growth of penetrative biomass in the artificial model substrate showed two forms of growth with an indistinct mass in the region close to the substrate surface and a few hyphae penetrating perpendicularly to the surface in regions further away from the substrate surface. The biomass profiles against depth obtained from the confocal microscopy showed two linear regions on log-linear plots, which are possibly related to different oxygen availability at different depths within the substrate. Confocal microscopy has the potential to be a powerful tool in the investigation of fungal growth mechanisms in solid-state fermentation. (C) 2003 Wiley Periodicals, Inc.

Comparação de desempenho entre a formulação direta do Método dos Elementos de Contorno com Funções Radiais e o Método dos Elementos Finitos em problemas de Poisson e Helmholtz

O presente trabalho objetiva avaliar o desempenho do MECID (Método dos Elementos de Contorno com Interpolação Direta) para resolver o termo integral referente à inércia na Equação de Helmholtz e, deste modo, permitir a modelagem do Problema de Autovalor assim como calcular as frequências naturais, comparando-o com os resultados obtidos pelo MEF (Método dos Elementos Finitos), gerado pela Formulação Clássica de Galerkin. Em primeira instância, serão abordados alguns problemas governados pela equação de Poisson, possibilitando iniciar a comparação de desempenho entre os métodos numéricos aqui abordados. Os problemas resolvidos se aplicam em diferentes e importantes áreas da engenharia, como na transmissão de calor, no eletromagnetismo e em problemas elásticos particulares. Em termos numéricos, sabe-se das dificuldades existentes na aproximação precisa de distribuições mais complexas de cargas, fontes ou sorvedouros no interior do domínio para qualquer técnica de contorno. No entanto, este trabalho mostra que, apesar de tais dificuldades, o desempenho do Método dos Elementos de Contorno é superior, tanto no cálculo da variável básica, quanto na sua derivada. Para tanto, são resolvidos problemas bidimensionais referentes a membranas elásticas, esforços em barras devido ao peso próprio e problemas de determinação de frequências naturais em problemas acústicos em domínios fechados, dentre outros apresentados, utilizando malhas com diferentes graus de refinamento, além de elementos lineares com funções de bases radiais para o MECID e funções base de interpolação polinomial de grau (um) para o MEF. São geradas curvas de desempenho através do cálculo do erro médio percentual para cada malha, demonstrando a convergência e a precisão de cada método. Os resultados também são comparados com as soluções analíticas, quando disponíveis, para cada exemplo resolvido neste trabalho.

Análise comparada de evaporadores de expansão directa e inundados

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Diagnóstico energético e reengenharia do processo de secagem na fábrica de revestimentos

Este trabalho surgiu no âmbito da Tese de Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química, aliando a necessidade da Empresa Monteiro Ribas – Indústrias, S.A. em resolver alguns problemas relacionados com as estufas da unidade J da fábrica de revestimentos. Outro dos objectivos era propor melhorias de eficiência energética neste sector da empresa. Para tal, foi necessário fazer um levantamento energético de toda a unidade, o que permitiu verificar que as estufas de secagem (Recobrimento 1 e 2) seriam o principal objecto de estudo. O levantamento energético da empresa permitiu conhecer o seu consumo anual de energia de 697,9 tep, o que a classifica, segundo o Decreto-lei nº 71 de 15 de Abril de 2008, como Consumidora Intensiva de Energia (CIE). Além disso, as situações que devem ser alvo de melhoria são: a rede de termofluido, que apresenta válvulas sem isolamento, o sistema de iluminação, que não é o mais eficiente e a rede de distribuição de ar comprimido, que não tem a estrutura mais adequada. Desta forma sugere-se que a rede de distribuição de termofluido passe a ter válvulas isoladas com lã de rocha, o investimento total é de 2.481,56 €, mas a poupança pode ser de 21.145,14 €/ano, com o período de retorno de 0,12 anos. No sistema de iluminação propõe-se a substituição dos balastros normais por electrónicos, o investimento total é de 13.873,74 €, mas a poupança é de 2.620,26 €/ano, com período de retorno de 5 anos. No processo de secagem das linhas de recobrimento mediram-se temperaturas de todos os seus componentes, velocidades de ar o que permitiu conhecer a distribuição do calor fornecido pelo termofluido. No Recobrimento 1, o ar recebe entre 39 a 51% do calor total, a tela recebe cerca de 25% e na terceira estufa este é apenas de 6%. Nesta linha as perdas de calor por radiação oscilam entre 6 e 11% enquanto as perdas por convecção representam cerca de 17 a 44%. Como o calor que a tela recebe é muito inferior ao calor recebido pelo ar no Recobrimento 1, propõe-se uma redução do caudal de ar que entra na estufa, o que conduzirá certamente à poupança de energia térmica. No Recobrimento 2 o calor fornecido ao ar representa cerca de 51 a 77% do calor total e o cedido à tela oscila entre 2 e 3%. As perdas de calor por convecção oscilam entre 12 e 26%, enquanto que as perdas por radiação têm valores entre 4 e 8%. No que diz respeito ao calor necessário para evaporar os solventes este oscila entre os 4 e 13%. Os balanços de massa e energia realizados ao processo de secagem permitiram ainda determinar o rendimento das 3 estufas do Recobrimento 1, com 36, 47 e 24% paras as estufa 1, 2 e 3, respectivamente. No Recobrimento 2 os valores de rendimento foram superiores, tendo-se obtido valores próximos dos 41, 81 e 88%, para as estufas 1, 2 e 3, respectivamente. Face aos resultados obtidos propõem-se a reengenharia do processo introduzindo permutadores compactos para aquecer o ar antes de este entrar nas estufas. O estudo desta alteração foi apenas realizado para a estufa 1 do Recobrimento 1, tendo-se obtido uma área de transferência de calor de 6,80 m2, um investimento associado de 8.867,81 €. e uma poupança de 708,88 €/ano, com um período de retorno do investimento de 13 anos. Outra sugestão consiste na recirculação de parte do ar de saída (5%), que conduz à poupança de 158,02 €/ano. Estes valores, pouco significativos, não estimulam a adopção das referidas sugestões.

Caracterização de águas do processo e optimização dos consumos de água nos vários circuitos da Petibol, S.A. – Embalagens de Plástico

A empresa Petibol, S.A. – Embalagens de plástico centra-se na produção de embalagens de plástico a partir da matéria-prima Poliestireno Expandido (EPS) e Polipropileno Expandido (EPP). A empresa possui uma preocupação ao nível da qualidade da água e do aproveitamento energético, tendo desta forma surgido a realização do estudo na unidade industrial, com o objectivo de anular e/ou diminuir as possíveis lacunas existentes na unidade industrial. Numa primeira etapa foi realizada uma caracterização global à qualidade da água e à empresa, actualizando-se os esquemas já existentes, contabilizando-se os custos actuais relativamente aos processos no circuito da água (arrefecimento, aquecimento e pressurização), e por fim, efectuou-se um levantamento in loco do circuito de água, relativamente à pressão, temperatura e caudal. Numa fase posterior, foram propostos equipamentos e processos, tendo em vista a colmatação dos problemas identificados, realizando-se um subsequente estudo relativamente aos custos inerentes a esses novos processos. A caracterização à água foi avaliada em diferentes pontos do circuito industrial, tendo-se determinado na Sala de Bombagem que o filtro de areia não possuía as dimensões mais apropriadas, existindo também um problema a nível mecânico associado ao processo de contra-lavagem. Tais factos podem ser a causa da ocorrência de um aumento do teor de sólidos após a passagem na camada filtrante. Relativamente ao amaciador, este deveria amaciar de forma completa a água para alimentação à caldeira, embora se tenha registado à saída do amaciador uma dureza de 21,3 mg/L, denunciando problemas na troca iónica. No que toca à água de alimentação à caldeira, verifica-se a existência de parâmetros que não se encontram de acordo com os critérios enunciados para uma óptima qualidade, sendo eles o pH (10,14), condutividade (363 μS/cm), teor de ferro (1,21 mg/L) e a dureza (16 mg/L). De salientar que somente o teor de cobre, que se encontra em quantidades vestigiais, apresenta-se de acordo com os valores impostos. No que respeita à água da caldeira, esta apresenta parâmetros incompatíveis com os recomendados, sendo eles a condutividade (7350 μS/cm), teor de sólidos dissolvidos (5248 mg/L) e alcalinidade total (780 mg/L). De referir que o valor de pH (11,8) não se encontra de acordo com a aplicação do tratamento “fosfato-pH coordenado”. Em relação aos parâmetros com valores que se encontram dentro dos limites, estes correspondem à dureza (0 mg/L), ao teor de fosfatos (45 mg/L) e teor de sílica (0 mg/L). A água do circuito de arrefecimento foi sujeita a uma análise microbiológica, que corroborou a presença de um biofilme. Um dos problemas enunciados pela empresa, prendia-se com a impossibilidade de descarga, no colector municipal, dos condensados dos compressores, visto apresentarem uma quantidade de óleo de cerca de 43,3 mg/L, equivalente a quatro vezes o valor limite de emissão, de acordo com a legislação municipal. Por fim, o efluente de descarga industrial apresenta um valor de pH (10,3) acima do intervalo permitido por lei (6,0 – 9,0), sendo que a corrente que mais contribui para este acréscimo de pH corresponde à corrente proveniente da água de purga, visto esta apresentar um valor de pH de 12,22. De maneira a contornar os parâmetros enunciados, é proposto a substituição do filtro de areia da Sala de Bombagem, assim como a inserção de um conjunto de medidas de remoção de ferro e desinfecção, sendo a conjugação de arejamento, coagulação, filtração e desinfecção, por parte do hipoclorito, a proposta apresentada. Aos condensados dos compressores é apresentado um sistema de separação, que possibilita a remoção do óleo da água, e uma consequente descarga da mesma. Actualmente, não existe qualquer filtro de areia no circuito de arrefecimento da água, sendo proposto assim esse equipamento, de forma a minorar o desenvolvimento da população microbiana, bem como a permitir uma maior eficiência na transferência de calor na torre de arrefecimento. Relativamente à descarga industrial, é recomendável a colocação de um sistema de regularização automática de pH. A inserção de uma válvula de três vias permite um aproveitamento energético e de água, a partir da confluência da água oriunda dos furos com a água do tanque de água fria, sendo posteriormente alimentada à central de vácuo. No estudo da recuperação energética, um outro equipamento avaliado correspondeu à serpentina, no entanto, verificou-se que a poupança no consumo de gás natural era de apenas 0,005%, o que não se mostrou uma proposta viável. O orçamento de todos os equipamentos é de 11.720,76 €, possibilitando não só um melhor funcionamento industrial, como um menor impacto a nível ambiental. Os custos futuros de funcionamento aumentam em 3,36%, tendo a pressurização um aumento do seu custo em 3,4% em relação ao custo actual, verificando-se um custo anual de 10.781,21€, em relação aos processos de arejamento, coagulação e desinfecção.