Technische Universität Bergakademie Freiberg: Qucosa
Not a member yet
1431 research outputs found
Sort by
Solubility of anhydrite and gypsum at temperatures below 100°C and the gypsum-anhydrite transition temperature in aqueous solutions: a re-assessment
No full textAnhydrite and gypsum are omnipresent in sedimentary rocks of all types. They occur as massive layers or are distributed within other geological formations as in clays. Understanding the conditions of formation and the stability of the hydrated and anhydrous form of calcium sulfate is crucial in an elucidation of the genesis of the geological formations envisaged as potential host rock for radioactive waste disposal. Estimations of the temperature, where gypsum is dehydrated to anhydrite in water vary between 30°C and 60°C. The extremely slow crystallization kinetics of anhydrite at T < 90°C prevents a direct determination of this transition temperature. In the present work the different approaches to fix this temperature are discussed. It is shown that careful assessment of solubility data and calorimetric measurements yields a transition temperature of 42°C ± 1°C. For results essentially deviating from this value methodic deficiencies are revealed and discussed. Thus, a long-standing discussion about the thermodynamic aspect of the gypsum-anhydrite conversion can be closed, not the kinetic part
Der Einsatz von multispektralen Satellitenbildern im Geomonitoring von nachbergbaulichen Prozessen
No full textDie Arbeit befasst sich mit dem Einsatz multispektraler Satellitenbilder im Geomonitoring von Prozessen, die nach der Beendigung des Bergbaus in Bergbauregionen auftreten. Die Untersuchungen wurden am Beispiel der Zeche Prosper-Haniel im deutschen Ruhrgebiet durchgeführt, die im Jahr 2018 geschlossen wurde. Diese Region, ein Symbol der deutschen Kohleindustrie, ist geprägt von komplexen Umweltproblemen wie Bodendeformationen, hydrologischen Veränderungen und der Degradation der Vegetation.
Die vorgestellten Analysen basieren auf der Nutzung ausgewählter Gruppen von Fernerkundungsindikatoren, darunter Vegetationsindizes wie GLI, GNDVI, GRNDVI, NDGI, NDVI, Norm_G, Norm_NIR und Norm_R sowie Wasserindikatoren wie MNDWI, MSR, NDWIGao und NDWIMcFeeters. Diese Indikatoren wurden auf Basis von Satellitendaten der Landsat-Mission berechnet. Die Bilder wurden in GIS-Systemen verarbeitet, was detaillierte Untersuchungen der Umweltveränderungen über längere Zeiträume ermöglichte. Zudem wurde eine Methodik zur Nutzung von Drohnen für die Validierung der Satellitendaten sowie Algorithmen des maschinellen Lernens zur Automatisierung der Datenanalyse entwickelt.
Ziel der Arbeit war es, einen umfassenden Ansatz für die Überwachung von Prozessen nach der Schließung von Bergwerken zu entwickeln, der den Anforderungen des Umweltschutzes und der nachhaltigen Bewirtschaftung postindustrieller Gebiete gerecht wird. Die Ergebnisse zeigen, dass Fernerkundungsindikatoren effektiv zur Überwachung von Veränderungen der Bodenoberfläche in Bergbauregionen eingesetzt werden können. Dies ermöglicht die Bewertung von Umweltveränderungen und die Reduzierung negativer Auswirkungen des Bergbaus durch die Planung von Rekultivierungsmaßnahmen. Die Arbeit bietet zudem Empfehlungen für die zukünftige Entwicklung von Monitoring-Tools, einschließlich eines stärkeren Einsatzes von Drohnentechnologie und fortschrittlichen Datenanalysemethoden.:Inhaltverzeichnis
Vorwort 4
Zusammenfassung 5
Abstract 6
Streszczenie 7
Inhaltverzeichnis 8
Abbildungverzeichnis 10
Tabellenverzeichnis 14
Abkürzungsverzeichnis 16
Formelverzeichnis 19
Anlageverzeichnis 20
1. Einleitung 22
2. Stand der Wissenschaft und Technik 24
2.1 Charakterisierung von Umwelteinflüssen bergbaulicher Tätigkeiten 24
2.2 Umweltmanagemetsystemen 42
2.3 Analyse von Monitoringmethoden für nachbergbauliche Prozesse 44
2.3.1 Klassisches geodätisches Monitoring 44
2.3.2 Umweltmonitoring 46
2.3.3 Terrestrische Sensorik 49
2.3.4 Fernerkundung mittels Satelliten 51
2.3.5 Fernerkundung mit UAV 69
2.3.6 Systematisierung und vergleichende Analyse der Methoden in Hinblick auf die Anforderungen zum Bergbaulichen Monitoring. 71
2.4 Geodatenmanagement für Geomonitoring im Nachbergbau 73
2.5 Defizitanalyse 76
2.6 Ziele der Arbeit und Forschungsfragen 78
3. Anforderungsanalyse für ein nachbergbauliches Monitoring am Beispiel des BW Prosper-Haniel 80
3.1 Geographie 80
3.2 Landbeckung 83
3.3 Wasserwirtschaft 85
3.4 Geologie 87
3.5 Hydrogeologie 90
3.6 Tektonik 92
3.7 Bergwerk Prosper-Haniel 94
3.7.1 Abbaugebiete 96
3.8 Bodensenkungen in Forschungsgebiet 98
4. Methodik 99
4.1 Auswahl die Testgebiete 101
4.2 Charakteristik des Satellitenbildes 103
4.2.1 Mission Landsat 105
4.3 Bilderfassung 108
4.4 Preprocessing 109
4.5 Fernerkundungsindikatoren 111
4.5.1 Vegetationsindikatoren 112
4.5.3 Wasserindikatoren 116
4.6 Die Benutzung GIS Software zur Berechnung fernerkundliche Indikatoren 119
4.7 Validierung der Ergebnisse 122
4.7.1 Drohnenbefliegungen 122
4.7.2 Mobile GIS 124
5. Beschreibung der Ergebnisse 125
5.1 Vegetationsindikatoren 125
5.2 Wasserindikatoren 150
6. Interpretation der Ergebnisse 163
6.1 Interpretation der Ergebnisse von Testgebiet 1 163
6.2 Interpretation der Ergebnisse von Testgebiet 2 170
6.3 Interpretation der Ergebnisse von Testgebiet 3 178
6.4 Interpretation die Ergebnisse von Testgebiet 4 186
7. Ausblick 196
8. Zusammenfassung 198
9. Literaturverzeichnis 204
10. Anlagen 241The study examines the application of multispectral satellite imagery in geomonitoring post-mining processes occurring in regions affected by the cessation of extraction activities. The research focuses on the Prosper-Haniel mine in Germany's Ruhr region, which ceased operations in 2018. This region, historically symbolic of the German coal industry, faces significant environmental challenges, including ground deformations, hydrological changes, and vegetation degradation.
The analyses presented in this study rely on selected groups of remote sensing indicators, including vegetation indices such as GLI, GNDVI, GRNDVI, NDGI, NDVI, Norm_G, Norm_NIR, and Norm_R, as well as water indicators like MNDWI, MSR, NDWIGao, and NDWIMcFeeters. These indicators were calculated using satellite data from the Landsat mission and processed in GIS systems, facilitating detailed, long-term environmental change assessments. Furthermore, the study developed a methodology for employing drones to validate satellite data and machine learning algorithms to automate data analysis.
The primary objective of this research was to establish a comprehensive framework for monitoring post-mining processes, addressing environmental protection priorities and the sustainable management of post-industrial landscapes. The findings demonstrate that remote sensing indicators are highly effective for monitoring surface changes in mining regions. This enables the evaluation of environmental transformations and supports the mitigation of mining-related impacts through strategic reclamation planning. Additionally, the study offers recommendations for advancing monitoring tools, emphasizing the integration of drone technology and sophisticated data analysis techniques.:Inhaltverzeichnis
Vorwort 4
Zusammenfassung 5
Abstract 6
Streszczenie 7
Inhaltverzeichnis 8
Abbildungverzeichnis 10
Tabellenverzeichnis 14
Abkürzungsverzeichnis 16
Formelverzeichnis 19
Anlageverzeichnis 20
1. Einleitung 22
2. Stand der Wissenschaft und Technik 24
2.1 Charakterisierung von Umwelteinflüssen bergbaulicher Tätigkeiten 24
2.2 Umweltmanagemetsystemen 42
2.3 Analyse von Monitoringmethoden für nachbergbauliche Prozesse 44
2.3.1 Klassisches geodätisches Monitoring 44
2.3.2 Umweltmonitoring 46
2.3.3 Terrestrische Sensorik 49
2.3.4 Fernerkundung mittels Satelliten 51
2.3.5 Fernerkundung mit UAV 69
2.3.6 Systematisierung und vergleichende Analyse der Methoden in Hinblick auf die Anforderungen zum Bergbaulichen Monitoring. 71
2.4 Geodatenmanagement für Geomonitoring im Nachbergbau 73
2.5 Defizitanalyse 76
2.6 Ziele der Arbeit und Forschungsfragen 78
3. Anforderungsanalyse für ein nachbergbauliches Monitoring am Beispiel des BW Prosper-Haniel 80
3.1 Geographie 80
3.2 Landbeckung 83
3.3 Wasserwirtschaft 85
3.4 Geologie 87
3.5 Hydrogeologie 90
3.6 Tektonik 92
3.7 Bergwerk Prosper-Haniel 94
3.7.1 Abbaugebiete 96
3.8 Bodensenkungen in Forschungsgebiet 98
4. Methodik 99
4.1 Auswahl die Testgebiete 101
4.2 Charakteristik des Satellitenbildes 103
4.2.1 Mission Landsat 105
4.3 Bilderfassung 108
4.4 Preprocessing 109
4.5 Fernerkundungsindikatoren 111
4.5.1 Vegetationsindikatoren 112
4.5.3 Wasserindikatoren 116
4.6 Die Benutzung GIS Software zur Berechnung fernerkundliche Indikatoren 119
4.7 Validierung der Ergebnisse 122
4.7.1 Drohnenbefliegungen 122
4.7.2 Mobile GIS 124
5. Beschreibung der Ergebnisse 125
5.1 Vegetationsindikatoren 125
5.2 Wasserindikatoren 150
6. Interpretation der Ergebnisse 163
6.1 Interpretation der Ergebnisse von Testgebiet 1 163
6.2 Interpretation der Ergebnisse von Testgebiet 2 170
6.3 Interpretation der Ergebnisse von Testgebiet 3 178
6.4 Interpretation die Ergebnisse von Testgebiet 4 186
7. Ausblick 196
8. Zusammenfassung 198
9. Literaturverzeichnis 204
10. Anlagen 241Praca dotyczy zastosowania multispektralnych obrazów satelitarnych w geomonitoringu procesów poeksploatacyjnych, które zachodzą w regionach górniczych po zakończeniu działalności wydobywczej. Badania przeprowadzono na przykładzie kopalni Prosper-Haniel w niemieckim Zagłębiu Ruhry, zamkniętej w 2018 roku. Region ten, będący symbolem niemieckiego przemysłu węglowego, charakteryzuje się złożonymi wyzwaniami środowiskowymi, w tym deformacjami gruntu, zmianami hydrologicznymi oraz degradacją roślinności.
Przedstawione analizy opierają się na wykorzystaniu wybranych grup wskaźników teledetekcyjnych, takich jak wskaźniki wegetacyjne: GLI, GNDVI, GRNDVI, NDGI, NDVI, Norm_G, Norm_NIR, Norm_R oraz wskaźniki wodne: MNDWI, MSR, NDWIGao czy NDWIMcFeeters, które obliczono na podstawie danych satelitarnych z misji Landsat. Obrazy te przetworzono w systemach GIS, co umożliwiło szczegółowe badanie zmian w środowisku w długoterminowej perspektywie czasowej. Opracowano również metodykę wykorzystania dronów do weryfikacji danych satelitarnych oraz algorytmów uczenia maszynowego do automatyzacji analizy danych.
Celem pracy było stworzenie kompleksowego podejścia do monitorowania procesów zachodzących po zakończeniu eksploatacji górniczej, z uwzględnieniem potrzeb ochrony środowiska oraz wymagań zrównoważonego zarządzania terenami poprzemysłowymi. Wyniki badań wskazują, że wskaźniki teledetekcyjne mogą być skutecznie wykorzystywane do monitorowania zmian powierzchni terenu w regionach górniczych, co umożliwia ocenę zmian środowiskowych oraz redukcję negatywnego wpływu działalności górniczej poprzez planowanie działań rekultywacyjnych. Praca dostarcza także rekomendacji dotyczących przyszłego rozwoju narzędzi monitoringu, w tym większego wykorzystania technologii dronów i zaawansowanych metod analizy danych.:Inhaltverzeichnis
Vorwort 4
Zusammenfassung 5
Abstract 6
Streszczenie 7
Inhaltverzeichnis 8
Abbildungverzeichnis 10
Tabellenverzeichnis 14
Abkürzungsverzeichnis 16
Formelverzeichnis 19
Anlageverzeichnis 20
1. Einleitung 22
2. Stand der Wissenschaft und Technik 24
2.1 Charakterisierung von Umwelteinflüssen bergbaulicher Tätigkeiten 24
2.2 Umweltmanagemetsystemen 42
2.3 Analyse von Monitoringmethoden für nachbergbauliche Prozesse 44
2.3.1 Klassisches geodätisches Monitoring 44
2.3.2 Umweltmonitoring 46
2.3.3 Terrestrische Sensorik 49
2.3.4 Fernerkundung mittels Satelliten 51
2.3.5 Fernerkundung mit UAV 69
2.3.6 Systematisierung und vergleichende Analyse der Methoden in Hinblick auf die Anforderungen zum Bergbaulichen Monitoring. 71
2.4 Geodatenmanagement für Geomonitoring im Nachbergbau 73
2.5 Defizitanalyse 76
2.6 Ziele der Arbeit und Forschungsfragen 78
3. Anforderungsanalyse für ein nachbergbauliches Monitoring am Beispiel des BW Prosper-Haniel 80
3.1 Geographie 80
3.2 Landbeckung 83
3.3 Wasserwirtschaft 85
3.4 Geologie 87
3.5 Hydrogeologie 90
3.6 Tektonik 92
3.7 Bergwerk Prosper-Haniel 94
3.7.1 Abbaugebiete 96
3.8 Bodensenkungen in Forschungsgebiet 98
4. Methodik 99
4.1 Auswahl die Testgebiete 101
4.2 Charakteristik des Satellitenbildes 103
4.2.1 Mission Landsat 105
4.3 Bilderfassung 108
4.4 Preprocessing 109
4.5 Fernerkundungsindikatoren 111
4.5.1 Vegetationsindikatoren 112
4.5.3 Wasserindikatoren 116
4.6 Die Benutzung GIS Software zur Berechnung fernerkundliche Indikatoren 119
4.7 Validierung der Ergebnisse 122
4.7.1 Drohnenbefliegungen 122
4.7.2 Mobile GIS 124
5. Beschreibung der Ergebnisse 125
5.1 Vegetationsindikatoren 125
5.2 Wasserindikatoren 150
6. Interpretation der Ergebnisse 163
6.1 Interpretation der Ergebnisse von Testgebiet 1 163
6.2 Interpretation der Ergebnisse von Testgebiet 2 170
6.3 Interpretation der Ergebnisse von Testgebiet 3 178
6.4 Interpretation die Ergebnisse von Testgebiet 4 186
7. Ausblick 196
8. Zusammenfassung 198
9. Literaturverzeichnis 204
10. Anlagen 24
The crystal structure of trichlorido[N-[(2-oxyphenyl)methylidene]phenylglycinemethylester-κ3O,N,O′]-tin(IV) – methylene chloride (1/1), C16H14Cl3NO3Sn·CH2Cl2
No full textC16H14Cl3NO3Sn·CH2Cl2, monoclinic, P21/n (no. 14), a = 11.1341(4) Å, b = 10.5867(2) Å, c = 18.6979(6) Å, β = 93.126(3)°, V = 2200.7(1) Å3, Z = 4, Rgt(F) = 0.0405, wR ref (F2) = 0.0847, T = 213 K
Solid–liquid equilibria of Sorel phases and Mg(OH)2 in the system Na-Mg-Cl-OH-H2O. Part II: Pitzer modeling
No full textFor geochemical calculations of solubility equilibria between Sorel phases, Mg(OH)2, and oceanic salt solutions, the polythermal THEREDA dataset (based on the HMW model at 25°C) was extended. With both models, H+ solution concentrations in equilibrium with Mg(OH)2(s) and the 3-1-8 Sorel phase at 25°C can be calculated in good agreement. In contrast, calculated OH− solution concentrations do not agree. Using the solubility constants (lg Ks) determined up to 60°C in Part I of this work, together with available solubility isotherms up to 120°C, temperature functions for the 3-1-8 phase (25°C–100°C), 2-1-4 phase (60°C–120°C), and 9-1-4 phase (100°C–120°C) were derived. In order to accurately model the OH− solution concentrations, it was necessary to implement the solution species Mg3(OH)42+ (∆RGm° temperature function) in addition to the MgOH+ already contained in the previous model. Finally, fitting Pitzer mixing coefficients for both species now allow the calculation of the solubility equilibria of Mg(OH)2(s) and the Sorel phases in agreement with the experimental data in the Mg-Cl-OH-H2O and Na-Mg-Cl-OH-H2O systems
Visibility-aware navigation for outdoor robots: Line-of-sight estimation using OSM and LiDAR
No full textAutonomous robots must not only perceive their surroundings reliably but also be visible to pedestrians and cyclists to ensure safe operations in urban environments. Static, semi-static and dynamic objects often block the line-of-sight between traffic participants. This paper presents a line-of-sight analysis that evaluates the visibility along a predefined 2 km test route in the city of Freiberg. The aim is to determine whether OpenStreetMap (OSM) data can provide sufficiently accurate information for predicting visibility conditions and assessing the need for sensor coverage. To assess whether freely available OpenStreetMap (OSM) data can be reliably used for field-of-view predictions, or if additional sensor-based mapping is necessary, OSM-based simulations are compared against real-world LiDAR point cloud data collected during a test drive. Based on the resulting visibility analysis, maximum safe velocities for the robot at each point along the route are proposed, ensuring that both traffic participants can come to a safe stop in the event of a sudden encounter. This enables adaptive speed planning depending on local visibility conditions, contributing to both operational safety and efficiency. Additionally, the findings can help identify areas where a robot should increase sensor coverage, or avoid certain locations due to poor visibility
Microstructure characterization and microstructure-informed prediction of hardness increase by ion irradiation of reactor pressure vessel steels
No full textGiven the increasing demand for clean energy and the associated safety concerns of nuclear power plant (NPP), research on reactor pressure vessel (RPV) steels is crucial, as these materials are vital in determining the operational lifetime of NPP. This thesis investigates two German commercial RPV steels: ANP-6, a second-generation RPV weld, and ANP-10, a second/third generation RPV base steel (forging). Ion irradiation, a method aimed to simulate neutron irradiation effects in RPV steels, is applied to study irradiation-induced microstructural changes and hardening behaviour in both of the materials.
The first part of the thesis covers comprehensive characterizations of unirradiated microstructures by means of advanced electron microscopy techniques including scanning electron microscopy (SEM), electron backscatter diffraction (EBSD), transmission electron microscopy (TEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). These analyses provide detailed information on the sample surface morphology, particles, grain size, grain orientation and initial dislocations.
The second part describes the microstructure defects induced by ion irradiations: dislocation loops and solute atom clusters. They are characterized primarily by scanning transmission electron microscopy (STEM) and atom probe tomography (APT), respectively.
The third part discusses hardness measurements obtained via nanoindentation, with a correction for pile-up effects using the elastic modulus. A microstructure-informed model is then developed to predict the hardness increase induced by ion irradiation in comparison to the nanoindentation measurement results, utilizing data from the earlier microstructural characterizations.
Additionally, post-irradiation annealing (PIA) experiments are conducted to analyse the stability of the loops and corresponding hardness response. Last but not the least, a comparison between ion and neutron irradiation is made to address issues related to the transferability of results.
Key findings include the formation of dislocation loops and solute atom clusters by ion irradiation and the description of its depth dependence. An important feature is a damage band formed between approximately 1200 to 1600 nm from sample surface, where loops are densely concentrated. Another feature is the preferred distribution of loops near defect sinks. The size of loops and clusters remains relatively constant with depth, while their density increases with higher ion irradiation dose, particularly in the damage band. A comparison between ion and neutron irradiation reveals similar loop and cluster sizes at comparable dose levels, though their densities differ, likely due to the higher dose rate of ion irradiation.
Nanoindentation exhibits a hardening effect of ion irradiation as a function of depth, showing a peak at the contact depth of approximately 250 nm. PIA experiments result in a decrease of loops density and increase of loops mean size. A total disappearance of loops is observed at 550°C in ANP-10. Nanoindentation tests prove the gradual decrease of hardening induced by ion irradiation until the hardness recovers to unirradiated state by increasing the temperature of PIA.
Four cases of microstructure-informed models are established. The Case 1 and 2 models consider the hardening contributions from irradiated microstructures of loops and clusters. Linear and square superposition of hardening contributions from loops and clusters for the Case 1 and Case 2, respectively, give rise to overestimations. However, the Case 3 model, which implements the hardening contributions from both unirradiated and irradiated microstructures of particles, initial dislocations, loops and clusters, shows the best match of irradiation-induced hardening to experimental data without fitting parameters. Although hardness contribution by nanoindentation in terms of geometrically necessary dislocations (GNDs) is significant for unirradiated and irradiated materials, the effect of it to irradiation-induced hardening is found to be negligible in investigated depth range.
The comprehensive analysis of this thesis enhances the understanding of the irradiation behaviour of RPV steels, contributing to the development of existing and future generation RPV steels and thus to the safety and longevity of nuclear reactors.:Content:
Abbreviations
List of symbols
List of Figures and Tables
Abstract
1. Introduction
1.1 Nuclear power plant (NPP)
1.2 History evolution of RPV steels
1.3 Irradiation effect on RPV steels
1.4 Equipment and techniques to study RPV steels
1.5 Microstructure-informed hardening model prediction
1.6 Scopes and objectives
2. Materials and methods
2.1 Materials
2.2 Sample preparation
2.2.1 Ion irradiation
2.2.2 SEM and SEM-EDX
2.2.3 EBSD
2.2.4 TEM (unirradiated samples)
2.2.5 TEM (ion irradiated samples)
2.2.6 APT
2.3 Methods
2.3.1 Ion irradiation
2.3.2 SEM, EBSD, EDX and FIB
2.3.3 TEM (unirradiated samples, determination of dislocation density)
2.3.4 TEM (irradiated samples)
2.3.5 APT
2.3.6 Nanoindentation
2.3.7 Post-irradiation annealing (PIA)
3. Experimental results
3.1 Microstructure characterization of unirradiated samples by SEM, EDX, EDSD, TEM
3.2 Microstructure characterization of as-irradiated samples by TEM
3.3 Microstructure characterization of as-irradiated samples by APT
3.4 Investigation of thermal stability of dislocation loops by PIA
3.5 Nanoindentation
4. Microstructure-informed models
4.1 Unirradiated materials
4.2 Irradiated materials
4.2.1 Case 1
4.2.2 Case 2
4.2.3 Case 3
4.2.4 Case 4
5. Discussion
5.1 Comparison between ANP-6 and ANP-10
5.2 Comparison between ion and neutron irradiation
5.3 Effect of PIA
5.4 Yield stress calculation of unirradiated RPV steels
5.5 Hardening model predictions and error estimation
6. Conclusions
References
Appendix
Acknowledgement
Declaratio
Investigations on Strategic Element Recovery by an Underground Membrane Pilot Plant from In-Situ Extracted Bioleaching Solutions
Full text linkFocusing on the selective extraction of the critical raw materials indium and germanium from real bioleaching solutions, extended studies have been carried out using Europe’s first underground hybrid membrane pilot plant (TRL6). In order to transfer former laboratory experiments to pilot scale, NF99 (Alfa Laval) was used for the evaluation of membrane permeance and ion retention. A performance test of microfiltration (MF) and nanofiltration (NF) showed high permeances with low root-mean-square deviation under feed variation (5.2% for MF, 4.7% for NF). Depending on the feed load, a significant permeance drop of up to 57% for MF (3 bar) and 26% for NF (10 bar, 1.1 m s−1) was observed. The NF retention performance showed that, without regular chemical cleaning, the selectivity between the target elements degraded. By introducing acidic-basic cleaning steps, it was possible to keep the retention behavior at an approximately constant level (In 91.0 ± 1.3%; Ge 18.2 ± 5.5%). In relation to the specified target, the best results could be achieved at low pressure (7.5 bar) and a maximum overflow velocity of 1.1 m s−1, with a retention of 88.4% for indium and 8.8% for germanium. Moreover, the investigations proved the functionality and long-term stability of the underground membrane device
Hydro-mechanisch gekoppelte visko-elasto-plastische Simulationen für den Salzbergbau
Full text linkGeotechnische Problem- und Fragestellungen befassen sich zunehmend mit der komplexen Interaktion unterschiedlicher physikalischer Prozesse. Ein Beispiel sind hydro-mechanische Wechselwirkungen, die in verschiedenen Anwendungsbereichen eine große Rolle spielen (Hydraulic Fracturing, Bewertung von Barriereintegrität, Böschungsanalysen, etc.). Numerische Simulationen helfen dabei, umfangreiche multiphysikalische Vorgänge abzubilden. Zur hinreichend genauen und effizienten Bearbeitung kann es jedoch sein, dass die Anwendung eines einzelnen spezialisierten Softwarepaketes nicht ausreicht und nur Softwarekopplungen Abhilfe schaffen.
Die vorliegende Arbeit erweitert die geomechanische Komplexität einer hydro-mechanischen Kopplung auf visko-elasto-plastisches Materialverhalten im Salinar. Betrachtet werden langandauernde und großräumig induzierte Fluidbewegungen in den durch Volumenkonvergenz charakterisierten lösungserfüllten Abbauen in einem generischen Kali- bzw. Steinsalzbergwerk. Zur Bearbeitung der Problemstellung wird eine grundlegende Methode zur Kopplung der numerischen Codes FLAC3D und Ansys Fluent entwickelt, detailliert vorgestellt und verifiziert. Unterschiedliche Modellszenarien in Bezug auf die initiale Fluidverteilung simulieren eindrucksvoll das Strömungsverhalten im generischen Grubenmodell unter Ausbildung eines freien Fluidspiegels oder eines Überdrucks im eingeschlossenen Fluid. Die Ergebnisse werden umfassend analysiert und das Potenzial zu Effizienzsteigerung durch die Softwarekopplung aufgezeigt.Geotechnical problems and questions are progressively dealing with complex interactions of different physical processes. An example is hydro-mechanical coupling playing an important role in various research topics and applications (e.g. hydraulic fracturing, assessment of barrier integrity and slope analysis). Numerical simulations help to model extensive multi-physical processes. However, for an accurate and efficient processing, using a single specialized numerical code may not be sufficient and solutions can be obtained only with software couplings.
The presented work extends the geomechanically complexity of a hydro-mechanical coupling by visco-elasto-plastic material behaviour in salt formations considering long-lasting and large-scale induced fluid flow within solution-filled cavities in a generic potash or rock salt mine, due to volume convergence. For solving this problem, a basic method for coupling the numerical codes FLAC3D and Ansys Fluent is developed, presented, and verified in detail. Different model scenarios in respect to initial fluid saturation are simulating the fluid flow in the generic mine model, depicting either a free fluid surface or an excess pressure in the trapped fluid. The results are analysed, and the potential for the increase of efficiency through the software coupling of FLAC3D and Ansys Fluent is demonstrated
Durchströmungswäsche von Filterkuchen: Einfluss der Waschflüssigkeitsaufgabe auf das Waschergebnis
No full textDie vorliegende Dissertation untersucht den Einfluss der Wechselwirkungen zwischen Waschflüssigkeit und Filterkuchen auf Verlauf und Ergebnis der Durchströmungswäsche. Es wird gezeigt, dass die partielle Resuspendierung des Filterkuchens neben weiteren Effekten der maßgebliche Effekt ist, der zur frühzeitigen und unerwünschten Kontamination der Waschflüssigkeit noch vor der Durchströmung des Filterkuchens führt. Dieser Effekt wird durch den Rückvermischungsanteil φ beschrieben, der den Anteil des resuspendierten Kuchenvolumens quantifiziert. Die partielle Resuspendierung verschlechtert das Waschergebnis, was durch Experimente im Labor- und Pilotmaßstab nachgewiesen wird. Zur Vorhersage des Einflusses auf das Waschergebnis wird ein Modell entwickelt, welches anhand experimenteller Daten validiert wird. Abschließend werden auf Basis experimenteller und theoretischer Ergebnisse praxisnahe Handlungsempfehlungen abgeleitet.:Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Stand des Wissens
1.3 Zielsetzung und Eingrenzung
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Kuchenbildende Filtration
2.2 Waschverfahren: Durchströmungs- und Verdünnungswäsche
2.3 Mechanische Entfeuchtung von Filterkuchen
3 Materialien und Methoden
3.1 Feststoffe
3.2 Flüssigkeiten
3.3 Filtermedium
3.4 Messmittel
3.5 Versuchsaufbau
3.6 Waschversuche im Labormaßstab
3.7 Waschversuche im Pilotmaßstab
4 Untersuchung von Waschflüssigkeitsinteraktionen mit der Kuchenoberfläche
4.1 Partielle Resuspendierung
4.2 Umrechnung des Rückvermischungsanteils für unterschiedliche Kuchenhöhen
4.3 Änderung der Kuchengeometrie durch den Waschflüssigkeitsaufprall
4.4 Rückdiffusion von Verunreinigungen
4.5 Einfluss von Apparateverunreinigungen
5 Durchströmungswäsche partiell resuspendierter Kuchen
5.1 Referenzwaschkurve
5.2 Waschkurve für partiell resuspendierte Kuchen
5.3 Vergleich der Überstandskonzentration mit dem Waschergebnis
5.4 Einfluss des Dosiervolumenstroms
5.5 Weitere Einflüsse auf das Waschergebnis
6 Modellbildung, Validierung und Simulation
6.1 Ermittlung von Modellparametern
6.2 Modellbildung
6.3 Modellvalidierung
6.4 Reevaluation der Referenzwaschkurve
7 Maßstabsübertragung
7.1 Referenzwaschkurve im Pilotmaßstab
7.2 Experimentelle Untersuchungen im Pilotmaßstab
7.3 Fazit der Maßstabsübertragung
8 Ansätze zur Anwendung der Erkenntnisse in der Praxis
8.1 Bewertung von Waschflüssigkeitsverteilern
8.2 Aufteilung von Waschintervallen
8.3 Neubewertung von Waschkurven
8.4 Normierung des Restanteils
8.5 Leitsätze für die Waschflüssigkeitsaufgabe
9 Zusammenfassung und Ausblick
Literaturverzeichnis
Anhang
A.1 Berechnung von Stoffmengenkonzentrationen
A.2 Messabweichungen und Fehlerrechnung
A.3 Quantitative Bewertung der lokalen Gleichmäßigkeit der Flüssigkeitsverteilung
A.4 Einfluss verschiedener Prozessbedingungen auf die partielle Resuspendierung
A.4.1 Einfluss der initialen Kuchensättigung
A.4.2 Einfluss des Stoffsystems
A.4.3 Einfluss der angelegten Druckdifferenz
A.5 Einfluss der partiellen Resuspendierung auf die Waschzeit
A.6 Einfluss der partiellen Resuspendierung auf die Kuchenstruktur
A.7 Konstruktion eines Waschflüssigkeitsverteilers
A.8 Fallunterscheidung zur Berechnung der mittleren Porenkonzentration
A.9 Reihenentwicklung zur Berechnung der Überstandskonzentration
nach mehreren Waschintervallen
A.10 Partielle Resuspendierung mit Gegenstromführung der Waschflüssigkeit
A.11 Modellansatz für Durchströmung des Filterkuchens gleichzeitig
zur Waschflüssigkeitsaufgabe
A.12 Modellbasierte Bewertung des Einflusses von Apparateverunreinigungen
A.13 Rückvermischungsanteil als Funktion der kinetischen Energie
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichni
A contribution to the multidimensional characterisation and separation of ultrafine particles
No full textThe increasing complexity of particle systems requires efficient and precise separation techniques that adopt a multidimensional approach, integrating multiple particle prop-erties rather than relying on a single separation feature. A comprehensive and precise characterisation of the particle system is crucial, but poses significant challenges for ultrafine particles (< 10 µm). The first part of this thesis focuses on the wettability char-acterisation of particles with differing shape, evaluating the benefits and limitations of different characterisation techniques. The second part covers the separation of ultrafine particles via froth flotation using a binary system and a novel developed flotation appa-ratus with special emphasis on a multidimensional evaluation. The findings highlight the complex interactions of the individual particle properties and process parameters and emphasise the importance of considering multiple particle properties