利用扩展的Patel-Teja状态方程研究受限空间中的界面张力

《The Journal of Supercritical Fluids》：Study on Interfacial Tension in Confined Spaces Using the Extended Patel-Teja Equation of State

针对受限空间中分子壁相互作用和纳米孔道强约束效应导致界面张力偏离经典方程预测的问题，本研究改进了Patel-Teja方程状态模型，新增分子壁相互作用压力项并建立临界性质偏移无量纲关联式，同时纳入毛细压效应计算界面张力。实验与分子模拟验证表明，改进模型在5-1000nm纳米孔道中预测界面张力误差小于3%，尤其适用于CO2-CH4混合物体系，揭示了孔隙尺寸对界面张力的非线性影响规律。

　　

白恒|孟展

西南石油大学石油与天然气工程学院，中国成都610500

摘要

在受限空间中，分子-壁相互作用以及纳米孔中的强限制效应导致受限流体的界面张力与不受限流体的界面张力存在显著差异。这使得经典状态方程难以做出准确预测。为了解决这一问题，本研究对经典的Patel-Teja状态方程（EOS）进行了修改，建立了适用于受限空间的扩展Patel-Teja EOS。首先，引入了一个新的压力项来表征分子-壁相互作用的影响；其次，基于实验和分子模拟数据，推导出一个无量纲的相关性公式，用于描述受限空间中临界性质的变化；最后，在计算界面张力时考虑了受限空间中的毛细压力效应。通过与实验数据或文献数据的比较，验证了扩展Patel-Teja EOS在计算受限空间界面张力方面的高准确性。该模型可用于分析温度、压力和纳米孔尺寸对纯物质和二元混合物界面张力的影响。在CO₂-CH₄系统中，当孔径从5纳米增加到100纳米时，界面张力的增长率为2.25%；而当孔径从100纳米增加到1000纳米时，界面张力的增长率仅为0.01%，最终逐渐趋近于不受限空间中的界面张力。本研究为油气开采等过程中的流体界面行为提供了理论支持。

章节摘录

引言

界面张力（IFT）是表征流体界面相互作用的关键热力学参数，在油气回收中起着至关重要的作用。这一点在开发非常规资源（如致密油和页岩油）时尤为重要。普遍认为，降低IFT是一种提高回收效率的有效策略，因为它可以促进混合液的置换并增强微观油体的置换效果。然而，在微观和纳米尺度上……

理论模型

Patel-Teja（PT）EOS是石油和化工行业中广泛使用的热力学模型，以其预测复杂流体系统相行为和热力学性质的能力而闻名[30]。它是本研究的基础。PT EOS的表达式如下：

$P\; =\; \backslash frac\{RT\}\{V\}\; -\; b\; -\; \backslash frac\{a(T)\}\{V(V\; +\; b)\; +\; c(V\; -\; b)\}$ $a\; =\; \backslash alpha\; \backslash cdot\; a\_c\; =\; \backslash alpha\; \backslash cdot\; (1\; +\; F(1\; -\; T^r)^0.5)$ $F\; =\; 0.452413\; +\; 1.30982\backslash omega\; -\; 0.295937\backslash omega^2$ $b\; =\; 0.0813315$ $c\; =\; 0.046476$ 在PT EOS中：P代表压力，T代表温度，R是气体常数。

受限空间中纯物质的界面张力

图2展示了通过将毛细压力与扩展的Patel-Teja EOS结合来计算IFT的工作流程。流程图中的各个步骤在补充材料中有详细说明。计算主要依赖于可压缩性因子以及蒸汽相和液相的密度。为了进一步验证该IFT计算模型的适用性，将计算结果与实验数据和分子模拟数据进行了比较。

结论

基于扩展的Patel-Teja EOS及其在研究受限空间中纯物质和混合物IFT中的应用，可以得出以下结论：

• 本研究提出了一种考虑了分子-壁相互作用和毛细压力的EOS，专门适用于受限空间。与耗时且成本高昂的实验方法相比，该模型减少了计算时间，同时提高了IFT预测的准确性。

CRediT作者贡献声明

白恒：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、数据整理。 孟展：撰写——审稿与编辑、监督、方法论设计、资金筹集、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：42472215）、四川省自然科学基金（项目编号：2023NSFSC0423）和CNPC创新基金（项目编号：2022DQ02-0207）的支持。