采用格子玻尔兹曼方法模拟表面活性剂驱中色谱分离现象

摘要

目前，对于化学驱色谱分离现象的研究多为实验方法，数值模拟方法的相关研究也早已进行。但是以上两种方法存在着共同的不足之处，它们都是通过获取各组分的生产曲线来进行色谱分离研究的，对于色谱分离过程中化学驱体系中各组分在岩心内部的分布及演化规律都无法获取。因此，需要建立一种可以获取化学驱色谱分离过程中各组分浓度分布的方法。 本文中建立了表面活性剂驱色谱分离现象的数值模型，利用格子玻尔兹曼方法对建立的数值模型进行数值求解，获取了色谱分离过程中各组分的浓度分布及演化规律。为验证求解方法与数值模型的正确性，进行了Poiseuille流动，圆柱绕流，对流扩散过程与含吸附对流扩散过程的模拟，并与解析解进行了对比。结果表明格子玻尔兹曼方法与建立的数值模型具有较好的准确性。 针对表面活性剂驱色谱分离现象的衡量，主要以由两种表面活性剂组成的化学驱体系为例进行分析，研究了表面活性剂驱色谱分离的相关规律，包含色谱分离生产曲线、吸附量曲线、不同组分同时刻的浓度分布、同组分不同时刻的浓度分布。针对生产曲线，提出了无因次突破时间、无因次等浓度距、最高相对浓度、最高相对浓度时间等参数进行衡量；针对吸附量曲线，则提出了曲线最大吸附量、最大吸附时间与完全解吸时间数三个参数作为衡量标准。 研究了路径运移差异，扩散运移差异，竞争吸附等导致表面活性剂驱色谱分离现象的主要机理。针对表面活性剂驱色谱分离现象的敏感性分析，主要对注入速度、注入粘度、注入浓度、扩散系数、最大吸附量、平衡常数等因素进行分析。研究发现，对于由两种表面活性剂组成的复合驱体系，增加复合体系的注入速度、表面活性剂浓度，减小体系注入粘度，都可以在一定程度上较弱色谱分离现象发生的程度；对于选取的表面活性剂，两者的扩散系数越接近，减小两者的最大吸附量与平衡常数，在一定程度上同样可以减弱色谱分离现象。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 化学驱色谱分离研究现状

1.2.2 化学驱色谱分离描述方法

1.2.3 格子玻尔兹曼方法色谱分离模拟现状

1.2.4 化学驱色谱分离数值模拟

1.2.5 存在的问题

1.3 研究内容

1.4 技术路线

1.5 创新点

1.6 本章总结

第二章 格子玻尔兹曼方法

2.1 格子玻尔兹曼方法简介

2.2 常用格子玻尔兹曼方法模型

2.2.1 扩散LBGK模型

2.2.2 流动LBGK模型

2.2.3 流动MRT模型

2.3 边界处理

2.3.1 反弹边界

2.3.2 速度边界

2.3.3 浓度边界

2.4 格子玻尔兹曼方法模拟流程

2.5 格子玻尔兹曼方法验证

2.5.1 Poiseuille流动

2.5.2 圆柱绕流流动

2.5.3 扩散现象

2.6 本章小结

第三章 表面活性剂驱色谱分离的格子玻尔兹曼方法模拟

3.1 基本假设条件

3.2 多孔介质模型构建

3.3 表面活性剂驱色谱分离的数值模拟方程

3.3.1 质量守恒方程

3.3.2 对流扩散方程

3.3.4 竞争吸附方程

3.4 边界条件与初始条件

3.4.1 边界条件

3.4.2 初始条件

3.5 数值模型求解

3.6 模型验证

3.7 本章小结

第四章 表面活性剂驱色谱分离现象机理分析

4.1 表面活性剂驱色谱分离基础模型建立

4.2 表面活性剂驱色谱分离规律研究

4.2.1 表面活性剂驱色谱分离生产曲线

4.2.2 表面活性剂驱色谱分离吸附量曲线

4.2.3 表面活性剂驱色谱分离不同物质同一时刻时刻分布

4.2.4 表面活性剂驱色谱分离一种物质不同时刻分布

4.3 表面活性剂驱色谱分离机理研究

4.3.1 路径运移差异

4.3.2 扩散运移差异

4.3.3 竞争吸附

4.4 本章小结

第五章 表面活性剂驱色谱分离影响因素分析

5.1 注入参数敏感性分析

5.1.1 注入速度

5.1.2 注入粘度

5.1.3 注入浓度

5.2 表面活性剂参数敏感性分析

5.2.1 扩散系数

5.2.2 最大吸附量

5.2.3 平衡常数

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间获得的学术成果

致谢