一种油页岩运动状态下微波干馏仿真模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种油页岩运动状态下微波干馏仿真模拟方法。通过构建包含电磁激励、热量传递、化学反应、质量传递、产物流动、任意拉格朗日

【技术实现步骤摘要】
一种油页岩运动状态下微波干馏仿真模拟方法


[0001]本专利技术涉及油气资源开发利用
，更具体的说是涉及一种油页岩运动状态下微波干馏仿真模拟方法。

技术介绍

[0002]我国油页岩地质资源量达7000多亿吨，资源潜力巨大且分布广泛，折合为油页岩油约为400多亿吨，有望成为传统化石能源的接替能源，是缓解我国突出油气供需矛盾的重要答案。油页岩是一种未熟的烃源岩，其有机质需通过加热作用，才能转化为油气资源。因此，突破油页岩开发利用的技术瓶颈，研究高效、经济的油页岩干馏技术将是油页岩成为石油的替代能源的关键。
[0003]目前，油页岩地面干馏技术虽然已经得到了长足的发展，但是仍然存在油页岩利用率不高、油收率不高、加热速度慢、能量利用率低等问题。而微波加热技术具有加热速度快、体积式加热、选择性加热、高效环保节能的特点，具有良好的应用前景。但是，目前有以下两方面的问题阻碍了油页岩微波干馏技术的发展：一是物理实验的局限性导致其无法完全揭示油页岩干馏的机理，而相关的数值模拟进展缓慢，共同造成了微波干馏油页岩过程中对油页岩的变化过程与反应机理不明确的现象；二是微波加热电磁场分布不均匀导致温度分布不均匀，局部高温引发油页岩热解产物油的二次裂解，这一问题造成了该工艺在生产油页岩油时产量低且能耗大。
[0004]针对上述问题，本专利技术基于有限元理论针对地面油页岩微波干馏这一物理化学过程建立了包含电磁激励、热量传递、化学反应、质量传递、产物流动、任意拉格朗日
‑
欧拉方法六个物理场在内的仿真模型。该模型不仅可以对地面油页岩微波干馏实现真实且细致的机理性研究，而且所引入的任意拉格朗日
‑
欧拉方法可以实现复杂运动状态下油页岩微波干馏的全过程动态模拟。该仿真模拟方法也适用于其它类似物理化学过程，如基于多孔介质体的微波化学反应器、煤岩热解过程研究等。

技术实现思路

[0005]为了实现油页岩的高效开发利用，本专利技术旨在提供一种油页岩运动状态下微波干馏仿真模拟方法。该方法基于有限元理论，通过构建电磁激励、热量传递、化学反应、质量传递、产物流动、任意拉格朗日
‑
欧拉方法六个物理场在内的数值模型，可以实现运动状态下油页岩微波干馏的全过程仿真分析，有助于揭示油页岩干馏的机理，解决常规微波加热下油页岩油的二次裂解问题，实现地面油页岩资源的高效开发利用。
[0006]针对各种工况下地面油页岩微波干馏仿真模拟，本专利技术是通过以下技术方案来实现的：
[0007](1)构建微波加热装置和加热样品的几何模型，如为装置不同组成部分和样品设置相应材料参数；
[0008](2)分别定义油页岩微波干馏物理过程所涉及的电磁激励、热量传递、化学反应、
质量传递、产物流动以及任意拉格朗日
‑
欧拉方法所对应的控制方程和边界约束方程；
[0009](3)设置不同现象对应控制方程之间的耦合关系和参数调用；
[0010](4)在确保微波加热装置与样品与仿真模型一致的条件下，开展室内微波加热物理实验，设置相同的功率、转速、转向等加热参数，通过温度测量数据、热重损失数据或油气产量数据的对比验证模型正确性；
[0011](5)使用模型进行不同参数的敏感性分析，求解得到电磁场分布、温度分布、物质分布、产物产量等详细结果，对比分析得到规律并优化参数用于指导实际生产。
[0012]上述方法的步骤(2)中，所述电磁激励所对应的控制方程和边界约束方程为：
[0013][0014][0015][0016]其中μ
r
表示相对磁导率，无因次量；E代表电场强度，V/m；k0表示自由空间波数，ε
r
表示相对介电常数，无因次量；j为虚数σ表示电导率，S/m；ω表示角频率，rad/s；ε0表示真空中的介电常数，取值8.854
×
10
‑
12
F/m；μ0表示相对磁导率，无因次量；n表示法向矢量，Q
e
为电磁功率损耗密度，W/m3；Re表示对相应内容中的复量取实部运算，J为电流密度，A/m2；B表示磁通量密度，Wb/m2；H为磁场强度，A/m；上标*表示共轭。
[0017]上述方法的步骤(2)中，所述热量传递所对应的控制方程和边界约束方程为：
[0018][0019][0020](ρC
p
)
eff
＝θ
p
ρ
p
C
p,p
+(1
‑
θ
p
)ρC
p
[0021]k
eff
＝θ
p
k
p
+(1
‑
θ
p
)k+k
disp
[0022][0023]其中T表示温度，K；ρ为流体密度，kg/m3；ρ
p
为固体密度，kg/m3；C
p
为流体比热容，J/(kg
·
K)；C
p,p
为固体比热容，J/(kg
·
K)；(ρC
p
)
eff
表示有效恒压热容，J/(kg
·
K)；k
eff
表示有效导热系数，W/(m
·
K)；k表示流体导热系数，W/(m
·
K)；k
p
表示固体导热系数，W/(m
·
K)；k
disp
表示流体在多孔介质中由于流体动力混合而产生的附加传热系数项，W/(m
·
K)；q表示传导热通量，W/m2；u表示速度场，m/s；θ
p
表示固体的体积分数，(1
‑
θ
p
)表示流体的体积分数，n表示法向矢量，Q表示热源项，W/m3。
[0024]上述方法的步骤(2)中，所述化学反应所对应的控制方程为：
[0025][0026][0027][0028]其中r
j
表示反应j的反应速率，mol/(m3·
s)；k
j
表示反应j的反应速率常数，c
i
表示反应j中组分i的浓度，mol/m3；v
ij
表示组分i在反应j中的化学计量系数，组分i作为反应物时为负值，作为生成物时为正值；A
j
表示反应j的频率因子，1/s；E
j
表示反应j的活化能，J/mol；R
g
表示气体常数，取值为8.314J/(mol
·
K)，T表示温度，K；Q
c
表示化学反应产生的热量，W/m3；H
j
表示反应j的反应焓，J/mol。
[0029]上述方法的步骤(2)中，所述质量传递所对应的控制方程和边界约束方程为：
[0030][0031][0032][本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种油页岩运动状态下微波干馏仿真模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)构建微波加热装置和加热样品的几何模型，为装置不同组成部分和样品设置相应材料参数；(2)分别定义油页岩微波干馏物理过程所涉及的电磁激励、热量传递、化学反应、质量传递、产物流动以及任意拉格朗日
‑
欧拉方法所对应的控制方程和边界约束方程；(3)设置不同现象对应控制方程之间的耦合关系和参数调用，通过有限元计算平台进行网格剖分和模型求解；(4)在确保微波加热装置与样品与仿真模型一致的条件下，开展室内微波加热物理实验，设置相同的功率、转速、转向等加热参数，通过温度测量数据、热重损失数据或油气产量数据的对比验证模型正确性；(5)使用模型进行不同参数的敏感性分析，求解得到电磁场分布、温度分布、物质分布、产物产量等详细结果，对比分析得到规律并优化参数用于指导实际生产。2.根据权利要求1所述的油页岩微波干馏仿真模拟方法，其特征在于步骤(2)中所述电磁激励所对应的控制方程和边界约束方程为：磁激励所对应的控制方程和边界约束方程为：磁激励所对应的控制方程和边界约束方程为：其中μ
r
表示相对磁导率，无因次量；E代表电场强度，V/m；k0表示自由空间波数，ε
r
表示相对介电常数，无因次量；j为虚数σ表示电导率，S/m；ω表示角频率，rad/s；ε0表示真空中的介电常数，取值8.854
×
10
‑
12
F/m；μ0表示相对磁导率，无因次量；n表示法向矢量，Q
e
为电磁功率损耗密度，W/m3；Re表示对相应内容中的复量取实部运算，J为电流密度，A/m2；B表示磁通量密度，Wb/m2；H为磁场强度，A/m；上标*表示共轭。3.根据权利要求1所述的油页岩微波干馏仿真模拟方法，其特征在于步骤(2)中所述热量传递所对应的控制方程和边界约束方程为：q＝
‑
k
eff
▽
T(ρC
p
)
eff
＝θ
p
ρ
p
C
p,p
+(1
‑
θ
p
)ρC
p
k
eff
＝θ
p
k
p
+(1
‑
θ
p
)k+k
disp
其中T表示温度，K；ρ为流体密度，kg/m3；ρ
p
为固体密度，kg/m3；C
p
为流体比热容，J/(kg
·
K)；C
p,p
为固体比热容，J/(kg
·
K)；(ρC
p
)
eff
表示有效恒压热容，J/(kg
·
K)；k
eff
表示有效导热系数，W/(m
·
K)；k表示流体导热系数，W/(m
·
K)；k
p
表示固体导热系数，W/(m
·
K)；k
disp
表示流体在多孔介质中由于流体动力混合而产生的附加传热系数项，W/(m
·
K)；q表示传导热
通量，W/m2；u表示速度场，m/s；θ
p
表示固体的体积分数，(1
‑
θ
p
)表示流体的体积分数，n表示法向矢量，Q表示热源项，W/m3。4.根据权利要求1所述的油页岩微波干馏仿真模拟方法，其特征在于步骤(2)中所述化学反应所对应的控制方程为：学反应所对应的控制方程为：学反应所对应的控制方程为：其中r
j
表示反应j的反应速率，mol/(m3·
s)；k
j
表示反应j的反应速率常数，c
i
表示反应j中组分i的浓度，mol/m3；v
ij
表示组分i在反应j中的化学计量系数，组分i作为反应物时为负值，作为生成物时为正值；A
j
表示反应j的频率因子，1/s；E
j
表示反应j的活化能，J/mol；R
g
表示气体常数，取值为8.314J/(mol
·
K)，T表示温度，K；Q
c
表示化学反应产生的热量，W/m3；H
j
表示反应j的反应焓，J/mol。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱静怡，李富涛，王浩，杨兆中，李小刚，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：