Modelagem populacional para o transporte e retenção em meios porosos
Ano de defesa: | 2023 |
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Autor(a) principal: | |
Orientador(a): | |
Banca de defesa: | |
Tipo de documento: | Tese |
Tipo de acesso: | Acesso aberto |
Idioma: | por |
Instituição de defesa: |
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Brasil UFRN PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE PETRÓLEO |
Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
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Departamento: |
Não Informado pela instituição
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País: |
Não Informado pela instituição
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Palavras-chave em Português: | |
Link de acesso: | https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/60647 |
Resumo: | In this thesis, we developed a population model to analyze the retention process of multiple species in porous media, considering size exclusion and adsorption mechanisms. A significant contribution of this work is the formulation of new adsorption kinetics, which take into account the distributions of transported species and pores. These kinetics are able to predict multiple species adsorption and capture the notable “overshoot”/Vroman effects characteristic of multiple species adsorption. Furthermore, our approach results in the formulation of a generalized multispecies adsorption isotherm. The model consists of the species mass conservation equations, species adsorption, and capture kinetics, in addition to the pore blocking kinetics. It is important to highlight that we incorporated into our model the influence of the effects “excluded pore volume” (EPV) and “inaccessible pore volume” (IPV), through the introduction of accessibility factors and flow reduction. From a numerical point of view, we propose the application of the high-order method known as the Kurganov and Tadmor (KT) finite volume method to discretize the species transport equation. To solve the kinetics numerically, we use Runge-Kutta finite difference methods. We conducted extensive computer simulations with the aim of validating our numerical results through comparisons with analytical solutions. Furthermore, we explored various configurations of transported species distributions and pores to comprehensively analyze species transport and retention in porous media. To address the resolution of the inverse problem using experimental data on effluent concentrations, we present a methodology that is based on the least squares method, implemented through the Levenberg-Marquardt algorithm. Finally, we apply the methodology to adjust the experimental data available in the literature. The results obtained in this thesis provide a deeper understanding of the retention process of multiple species in porous media. |
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Modelagem populacional para o transporte e retenção em meios porososCinéticas e isotermas de adsorção e multiespéciesDistribuição das espécies transportadas e porosVolume poroso excluído e inacessívelEfeitos overshoot/VromanMétodo de volumes finitos KTCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICA::PETROLEO E PETROQUIMICAIn this thesis, we developed a population model to analyze the retention process of multiple species in porous media, considering size exclusion and adsorption mechanisms. A significant contribution of this work is the formulation of new adsorption kinetics, which take into account the distributions of transported species and pores. These kinetics are able to predict multiple species adsorption and capture the notable “overshoot”/Vroman effects characteristic of multiple species adsorption. Furthermore, our approach results in the formulation of a generalized multispecies adsorption isotherm. The model consists of the species mass conservation equations, species adsorption, and capture kinetics, in addition to the pore blocking kinetics. It is important to highlight that we incorporated into our model the influence of the effects “excluded pore volume” (EPV) and “inaccessible pore volume” (IPV), through the introduction of accessibility factors and flow reduction. From a numerical point of view, we propose the application of the high-order method known as the Kurganov and Tadmor (KT) finite volume method to discretize the species transport equation. To solve the kinetics numerically, we use Runge-Kutta finite difference methods. We conducted extensive computer simulations with the aim of validating our numerical results through comparisons with analytical solutions. Furthermore, we explored various configurations of transported species distributions and pores to comprehensively analyze species transport and retention in porous media. To address the resolution of the inverse problem using experimental data on effluent concentrations, we present a methodology that is based on the least squares method, implemented through the Levenberg-Marquardt algorithm. Finally, we apply the methodology to adjust the experimental data available in the literature. The results obtained in this thesis provide a deeper understanding of the retention process of multiple species in porous media.Petróleo Brasileiro S. A. (Petrobras)Nesta tese, desenvolvemos um modelo populacional para analisar o processo de retenção de múltiplas espécies em meios porosos, considerando os mecanismos de exclusão pelo tamanho e adsorção. Uma contribuição significativa deste trabalho é a formulação de uma nova cinética de adsorção, que leva em consideração as distribuições das espécies transportadas e poros. Esta cinética é capaz de prever a adsorção de múltiplas espécies e capturar os efeitos notáveis de “overshoot”/Vroman, característicos da adsorção de múltiplas espécies. Além disso, nossa abordagem resulta na formulação de uma isoterma de adsorção multiespécies generalizada. O modelo é constituído das equações da conservação de massa das espécies, cinéticas de adsorção e de captura das espécies, além da cinética de bloqueio dos poros. E importante ressaltar que incorporamos ao nosso modelo a ´ influencia dos efeitos “excluded pore volume” (EPV) e “inaccessible pore volume” (IPV), através da introdução dos fatores de acessibilidade e redução de fluxo. Do ponto de vista numérico, propomos a aplicação do método de alta ordem conhecido como método de volumes finitos de Kurganov e Tadmor (KT) para discretizar a equação do transporte das espécies. Para resolver numericamente as cinéticas, utilizamos os métodos de diferenças finitas de Runge-Kutta. Conduzimos extensas simulações computacionais com o objetivo de validar nossos resultados numéricos por meio de comparações com soluções analíticas. Além disso, exploramos várias configurações de distribuições das espécies transportadas e poros para analisar de forma abrangente o transporte e retenção das espécies em meios porosos. Para abordar a resolução do problema inverso a partir de dados experimentais de concentrações efluentes, apresentamos uma metodologia que se baseia no método dos mínimos quadrados, implementado através do algoritmo de Levenberg-Marquardt. Por fim, aplicamos a metodologia para ajustar dados experimentais disponíveis na literatura. Os resultados obtidos nesta tese fornecem uma compreensão mais profunda do processo de retenção de múltiplas espécies em meios porosos.Universidade Federal do Rio Grande do NorteBrasilUFRNPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE PETRÓLEOSantos, Adriano doshttp://lattes.cnpq.br/0389596377426108http://lattes.cnpq.br/0836702900277229Lima, Sidarta Araújo deRadtke, Luiz CarlosPires, Adolfo PuimeAum, Pedro Tupã PandavaGomes, Eduardo Rangel2024-11-13T22:00:00Z2024-11-13T22:00:00Z2023-10-31info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfGOMES, Eduardo Rangel. Modelagem populacional para o transporte e retenção em meios porosos. Orientador: Dr. Adriano dos Santos. 2023. 167f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Petróleo) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2023.https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/60647info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UFRNinstname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)instacron:UFRN2024-11-13T22:00:40Zoai:repositorio.ufrn.br:123456789/60647Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufrn.br/oai/repositorio@bczm.ufrn.bropendoar:2024-11-13T22:00:40Repositório Institucional da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)false |
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In this thesis, we developed a population model to analyze the retention process of multiple species in porous media, considering size exclusion and adsorption mechanisms. A significant contribution of this work is the formulation of new adsorption kinetics, which take into account the distributions of transported species and pores. These kinetics are able to predict multiple species adsorption and capture the notable “overshoot”/Vroman effects characteristic of multiple species adsorption. Furthermore, our approach results in the formulation of a generalized multispecies adsorption isotherm. The model consists of the species mass conservation equations, species adsorption, and capture kinetics, in addition to the pore blocking kinetics. It is important to highlight that we incorporated into our model the influence of the effects “excluded pore volume” (EPV) and “inaccessible pore volume” (IPV), through the introduction of accessibility factors and flow reduction. From a numerical point of view, we propose the application of the high-order method known as the Kurganov and Tadmor (KT) finite volume method to discretize the species transport equation. To solve the kinetics numerically, we use Runge-Kutta finite difference methods. We conducted extensive computer simulations with the aim of validating our numerical results through comparisons with analytical solutions. Furthermore, we explored various configurations of transported species distributions and pores to comprehensively analyze species transport and retention in porous media. To address the resolution of the inverse problem using experimental data on effluent concentrations, we present a methodology that is based on the least squares method, implemented through the Levenberg-Marquardt algorithm. Finally, we apply the methodology to adjust the experimental data available in the literature. The results obtained in this thesis provide a deeper understanding of the retention process of multiple species in porous media. |
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