Efficient chemical equilibrium calculations for geochemical speciation and reactive transport modelling

化学平衡 逸度 平衡热力学 趋同(经济学) 热力学平衡 热力学 相平衡 化学稳定性 数学优化 化学 计算机科学 统计物理学 应用数学 相(物质) 物理 数学 有机化学 经济 经济增长
作者
Allan M. M. Leal,Martin J. Blunt,Tara LaForce
出处
期刊:Geochimica et Cosmochimica Acta [Elsevier BV]
卷期号:131: 301-322 被引量:52
标识
DOI:10.1016/j.gca.2014.01.038
摘要

Chemical equilibrium calculations are essential for many environmental problems. It is also a fundamental tool for chemical kinetics and reactive transport modelling, since these applications may require hundreds to billions equilibrium calculations in a single simulation. Therefore, an equilibrium method for such critical applications must be very efficient, robust and accurate. In this work we demonstrate the potential effectiveness of a novel Gibbs energy minimisation algorithm for reactive transport simulations. The algorithm includes strategies to converge from poor initial guesses; capabilities to specify non-linear equilibrium constraints such as pH of an aqueous solution and activity or fugacity of a species; a rigorous phase stability test to determine the unstable phases; and a strategy to boost the convergence speed of the calculations to quadratic rates, requiring only few iterations to converge. We use this equilibrium method to solve geochemical problems relevant to carbon storage in saline aquifers, where aqueous, gaseous and minerals phases are present. The problems are formulated to mimic the ones found in kinetics and transport simulations, where a sequence of equilibrium calculations are performed, each one using the previous solution as the initial guess. The efficiency and convergence rates of the calculations are presented, which require an average of 1–2 iterations. These results indicate that critical applications such as chemical kinetics and reactive transport modelling can potentially benefit by using this multiphase equilibrium algorithm.
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