Блог

Jul 04, 2023

Абсорбция метана под давлением в нормальном и переохлажденном состоянии.

Scientific Reports Volume 13, Номер статьи: 136 (2023) Цитировать эту статью 676 Доступ 1 Альтметрия Детали метрики Переохлаждение жидкостей приводит к особенностям, которые почти не изучаются в настоящее время.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 136 (2023) Цитировать эту статью

676 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Переохлаждение жидкостей приводит к особенностям, малоизученным в условиях высокого давления. Здесь мы сообщаем о поверхностном натяжении, растворимости, коэффициенте диффузии и парциальном молярном объеме для нормальных и переохлажденных жидких растворов метана с п-ксилолом. Жидкие тела пердейтерированного п-ксилола (п-С8Д10) и, для сравнения, о-ксилола (о-С8Д10) подвергли воздействию метана под давлением (СН4, до 101 бар) при температурах 7,0–30,0 °С и наблюдали с высоким пространственным разрешением (размер пикселя 20,3 мкм) с использованием метода бестактильной нейтронной визуализации. Переохлаждение привело к увеличению коэффициента диффузии и парциального молярного объема метана. Растворимость и поверхностное натяжение нечувствительны к переохлаждению, последнее существенно зависит от давления метана. В целом, нейтронная визуализация позволила выявить и количественно оценить многочисленные явления, происходящие в переохлажденных жидких растворах п-ксилола метана под давлением, необходимым для вымораживания при производстве сжиженного природного газа.

Жидкости, охлажденные ниже точки плавления, демонстрируют особые физические свойства, такие как изменения вязкости и коэффициента диффузии, которые обычно приписывают динамической неоднородности на молекулярном уровне1,2,3,4,5,6. Тепловые движения молекул замедляются либо из-за энергетических барьеров, либо из-за отсутствия свободного объема1,7,8,9. Могут быть задействованы специфические взаимодействия, такие как водородные связи и взаимодействия между ароматическими кольцами. Например, была выдвинута гипотеза об образовании ледообразных кластеров в переохлажденной воде, поскольку органические соединения, такие как о-, м-, п-ксилолы, улетучиваются (константы Генри увеличиваются) из их переохлажденных растворов с водой10. Помимо воды, специфические взаимодействия, вероятно, влияют на свойства других переохлажденных жидкостей, таких как п-ксилол. Сообщалось, что это соединение, которое затвердевает при давлении 0,84 ГПа при комнатной температуре, образует тримеры и тетрамеры при давлении 13,5 ГПа11. Таким образом, можно ожидать возникновения гетерогенности на молекулярном уровне переохлажденного жидкого п-ксилола, которая будет участвовать в спонтанном затвердевании и трудно предсказуемых свойствах из-за термодинамической нестабильности.

Высокая нормальная температура плавления п-ксилола (п-С8Н10, 13,25 °С12) приводит к тому, что это соединение может конденсироваться, переохлаждаться и откладываться в холодных точках при производстве сжиженного природного газа (СПГ). Другие изомеры ксилола гораздо менее агрессивны, нормальные температуры плавления12 составляют: - 25,17 °C (о-C8H10) и - 47,85 °C (m-C8H10). Кроме того, п-ксилол является практическим тестовым соединением, отличным от воды, для исследования переохлажденных жидкостей при достаточно мягких температурах. Хотя конденсацию соединений БТЭК (бензол, толуол, этилбензол, ксилолы) при производстве СПГ можно избежать благодаря их низкой допустимой концентрации (< 1 ppm13), это исследование может помочь лучше понять явления, происходящие в холодных точках при переработке СПГ. природный газ и расширить общие знания.

Недавние исследования предоставили важные экспериментальные данные и прогнозные модели, описывающие составы сосуществующих фаз13,14 и, что важно, температуру плавления п-ксилола (p-C8H10) в системах, состоящих из метана (CH4) и п-ксилола (p-C8H10). 14. Таким образом, степень переохлаждения можно оценить не только для чистого п-ксилола, но и для его смесей с метаном при повышенных давлениях. Достижимое переохлаждение обычно зависит от химического состава и поверхностей экспериментального устройства. Сообщалось, что переохлаждение примерно на 2 °C вызывает затвердевание п-ксилола на охлажденном медном наконечнике для раствора метана (CH4) и п-ксилола (p-C8H10) при 4,35 °C и давлении 225 бар14. В отличие от литературы14, в которой индуцировали затвердевание, мы стремимся изучить свойства термодинамически нестабильной переохлажденной жидкости.

Экспериментальные данные по плотности, растворимости, скорости звука, теплоемкости, поверхностному натяжению и вязкости были получены для нескольких переохлажденных жидкостей, главным образом для воды3,10,15,16,17,18,19,20,21,22,23. ,24,25,26,27,28,29. За исключением одного исследования скорости звука и ее производных величин для переохлажденной воды16, в вышеупомянутых исследованиях сообщаются данные, наблюдаемые при давлениях, близких к атмосферному, или не сообщаются экспериментальные давления. Распространенными высокопроизводительными методами исследования жидкостей в условиях высокого давления являются денситометрия вибрирующей трубки, метод висячей капли, метод дисперсии Тейлора, метод капиллярных волн, методы, использующие рамановскую спектроскопию и ядерный магнитный резонанс30,31,32,33,34. ,35,36,37,38,39,40,41. Насколько нам известно, нет сообщений об их использовании для переохлажденных жидкостей под высоким давлением. Мы, конечно, допускаем, что те или иные методы могут быть применены для изучения свойств переохлажденных жидкостей. Например, рамановская спектроскопия и ядерный магнитный резонанс использовались для исследования образования гидрата природного газа в соответствующих условиях42,43. Как мы показываем в этом исследовании, наш метод бестактной нейтронной визуализации в одном сосуде44 применим для изучения систем, включающих переохлажденные жидкости, подвергающиеся воздействию газов под давлением.