Bestemmeklse af gasdispersion i porøse medier - Metode og anvendelse
Oversat titel
Estimation of gasdispersion in porous media - Method and application
Forfatter
Hostrup, Maren
Semester
10. semester
Udgivelsesår
2008
Abstract
Formålet var at afprøve en simpel metode til at bestemme, hvordan gas bevæger og spreder sig i porøse materialer som sand. Metoden bygger på at måle transport af ilt gennem en søjle med sand, hvor gas tilføres i den ene ende og forlader den anden. Ved udløbet måles iltkoncentrationen med en iltelektrode, og tidsforløbet bruges til at tegne en “gennembrudskurve”, der viser, hvornår og hvor hurtigt gassen når frem. Disse kurver blev tilpasset en analytisk model for konvektion–dispersion (konvektion-dispersionsligningen) for at bestemme den samlede diffusion–dispersion-koefficient. Ved at plotte denne koefficient mod porehastigheden kunne dispersion (mekanisk blanding, udtrykt som dispersivitet) adskilles fra molekylær diffusion. Atmosfærisk luft og nitrogen blev brugt som gennemstrømningsgas og gav ens resultater. Opsætningen bestod af en søjle med længde 103 cm og diameter 14 cm. Sandet var homogent med partikelstørrelser mellem 0,40 og 0,80 mm, en tør bulkdensitet på 1,06–1,62 g/cm3 og et gravimetrisk vandindhold på 0,005–0,100 g vand/g tørstof. Under forsøgene ændrede vandindholdet sig, fordi den tørre gas kom i ligevægt med porevandet; prøverne mistede 5–37 % vand. Der var god overensstemmelse mellem målingerne og den analytiske model, men starttidspunktet for målingen viste sig at være kritisk: små forskydninger gav relativt store ændringer i estimater af porehastighed og diffusion–dispersion-koefficient. De målte dispersiviteter lå mellem 0 og 0,445 cm. Generelt steg dispersiviteten med vandindholdet og faldt med tør bulkdensitet. Ved lavere densitet var afhængigheden af vandindholdet stærkere, og dispersionen var 2–3 gange større end ved højere densitet. En mulig forklaring er flere frie makroporer ved løsere pakning, som øger variationer i porehastigheder og dermed den mekaniske blanding; dette kræver yderligere undersøgelser. De vigtigste parametre for at estimere dispersivitet i sand er tør bulkdensitet og vandindhold, og der blev opstillet en model baseret på disse to. Sammenlignet med tidligere resultater for umættet sand er de estimerede dispersiviteter generelt lavere, med undtagelse af modellen af Levenspiel (1972). Det kan skyldes prøvernes homogenitet og den snævre partikelstørrelsesfordeling. Diffusionen blev estimeret til 5,44–8,65 cm2/min og faldt med mindre porevolumen (dvs. stigende vandindhold eller tør bulkdensitet), i overensstemmelse med tidligere litteratur. De målte diffusionskoefficienter var dog større end både tidligere målinger på samme sand (Pindstofte, 2007) og end estimater fra WLR-modellen (Moldrup et al., 2000). Dette tyder på, at det beregnede “diffusionsbidrag” indeholder andre effekter end ren molekylær diffusion. Konklusionen er, at opsætningen egner sig godt til at bestemme dispersivitet, men er mindre velegnet til præcist at kvantificere diffusion. Luft og nitrogen er velegnede og omkostningseffektive som gennemstrømningsgasser, og udstyret er let at bruge og forventes at kunne anvendes på andre porøse materialer.
This study tested a simple method to determine how gas moves and spreads in porous materials like sand. The approach uses oxygen transport in a sand-filled column, with gas introduced at one end and leaving at the other. At the outlet, an oxygen electrode measures concentration over time to create a “breakthrough curve,” showing when and how quickly the gas arrives. These curves were fitted to an analytical convection–dispersion model (the convection–dispersion equation) to estimate the combined diffusion–dispersion coefficient. By plotting this coefficient against pore velocity, mechanical spreading (dispersion, expressed as dispersivity) could be separated from molecular diffusion. Atmospheric air and nitrogen were used as carrier gases and produced indistinguishable results. The setup used a 103 cm long, 14 cm diameter column. The sand was homogeneous with particle sizes of 0.40–0.80 mm, dry bulk density of 1.06–1.62 g/cm3, and gravimetric water content of 0.005–0.100 g water/g dry matter. During experiments, water content changed as dry gas equilibrated with pore water; samples lost 5–37% water. Measurements agreed well with the analytical model, but the choice of start time was critical: small shifts caused comparatively large changes in estimated pore velocity and the diffusion–dispersion coefficient. Measured dispersivities ranged from 0 to 0.445 cm. In general, dispersivity increased with water content and decreased with dry bulk density. At lower density, the dependence on water content was stronger, and dispersion was 2–3 times higher than at higher density. A possible reason is more free macropores in looser packings, which increase variations in pore velocities and thus mechanical mixing; this warrants further study. The most important parameters for estimating dispersivity in sand are dry bulk density and water content, and a model based on these two was established. Compared with previous results for unsaturated sand, the dispersivities estimated here are generally lower, except for the model by Levenspiel (1972). This may reflect the samples’ homogeneity and the narrow particle size distribution. Diffusion was estimated at 5.44–8.65 cm2/min and decreased with smaller pore volume (i.e., higher water content or higher dry bulk density), consistent with earlier literature. However, the measured diffusion coefficients were larger than earlier values for the same sand (Pindstofte, 2007) and larger than estimates from the WLR model (Moldrup et al., 2000). This suggests the “diffusion” estimate includes effects beyond pure molecular diffusion. The conclusion is that the setup is well suited to determine dispersivity but less suited to precisely quantify diffusion. Air and nitrogen are suitable, cost-effective carrier gases, and the equipment is easy to use and likely applicable to other porous media.
[Dette resumé er genereret ved hjælp af AI]