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Jun 11, 2023

Assorbimento di metano pressurizzato in ambienti normali e sottoraffreddati p

Scientific Reports volume 13, Articolo numero: 136 (2023) Cita questo articolo 636 Accessi 1 Dettagli metriche altmetriche Il sottoraffreddamento dei liquidi porta a peculiarità scarsamente studiate in

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 136 (2023) Citare questo articolo

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Il sottoraffreddamento dei liquidi porta a peculiarità scarsamente studiate in condizioni di alta pressione. Qui riportiamo la tensione superficiale, la solubilità, la diffusività e il volume molare parziale per soluzioni liquide normali e superraffreddate di metano con p-xilene. Corpi liquidi di p-xilene deuterato (p-C8D10) e, per confronto, o-xilene (o-C8D10), sono stati esposti a metano pressurizzato (CH4, fino a 101 bar) a temperature comprese tra 7,0 e 30,0 ° C e osservati ad alta risoluzione spaziale (dimensione pixel 20,3 μm) utilizzando un metodo di imaging neutronico non tattile. Il sottoraffreddamento ha portato all'aumento della diffusività e del volume molare parziale del metano. La solubilità e la tensione superficiale erano insensibili al sottoraffreddamento, quest'ultimo dipendeva sostanzialmente dalla pressione del metano. Nel complesso, l'imaging neutronico ha consentito di rivelare e quantificare molteplici fenomeni che si verificano in soluzioni liquide di metano p-xilene superraffreddate sotto pressioni rilevanti per il congelamento nella produzione di gas naturale liquefatto.

I liquidi raffreddati al di sotto del loro punto di fusione mostrano proprietà fisiche peculiari, come cambiamenti di viscosità e diffusività, che sono comunemente attribuite all'eterogeneità dinamica a livello molecolare1,2,3,4,5,6. I movimenti termici delle molecole rallentano a causa delle barriere energetiche o della mancanza di volume libero1,7,8,9. Possono essere coinvolte interazioni specifiche, come i legami idrogeno e le interazioni tra anelli aromatici. Ad esempio, è stata ipotizzata la formazione di ammassi simili al ghiaccio nell'acqua sottoraffreddata poiché i composti organici, come o-, m-, p-xilene, vengono volatilizzati (aumento della costante di Henry) dalle loro soluzioni sottoraffreddate con acqua10. Oltre all’acqua, interazioni specifiche probabilmente influenzano le proprietà di altri liquidi superraffreddati, come il p-xilene. È stato riportato che questo composto, che solidifica a 0,84 GPa a temperatura ambiente, forma trimeri e tetrameri a 13,5 GPa11. Pertanto, ci si può aspettare che si verifichi l'eterogeneità a livello molecolare del p-xilene liquido sottoraffreddato e che sia coinvolta nella solidificazione spontanea e nelle proprietà difficilmente prevedibili a causa dell'instabilità termodinamica.

L'elevato punto di fusione normale del p-xilene (p-C8H10, 13,25 °C12) fa sì che questo composto possa condensare, raffreddarsi eccessivamente e depositarsi nei punti freddi nella produzione di gas naturale liquefatto (GNL). Gli altri isomeri dello xilene sono molto meno severi, i normali punti di fusione12 sono: − 25,17 °C (o-C8H10) e − 47,85 °C (m-C8H10). Oltre a ciò, il p-xilene è un composto di prova pratico diverso dall'acqua per studiare liquidi superraffreddati a temperature piuttosto miti. Sebbene la condensazione dei composti BTEX (benzene, toluene, etilbenzene, xileni) nella produzione di GNL sia evitata dalla loro bassa concentrazione ammessa (< 1 ppm13), questo studio può portare a una migliore comprensione dei fenomeni che si verificano nei punti freddi nella lavorazione di gas naturale e ampliare la conoscenza generale.

Studi recenti hanno riportato dati sperimentali fondamentali e modelli predittivi che descrivono le composizioni delle fasi coesistenti13,14 e, soprattutto, la temperatura di fusione del p-xilene (p-C8H10) in sistemi costituiti da metano (CH4) e p-xilene (p-C8H10) 14. Pertanto, il grado di sottoraffreddamento può essere valutato non solo per il p-xilene puro ma anche per le sue miscele con metano a pressioni elevate. Il sottoraffreddamento ottenibile dipende generalmente dalla composizione chimica e dalle superfici del dispositivo sperimentale. È stato riportato che il sottoraffreddamento di circa 2 °C induce la solidificazione del p-xilene su una punta di rame raffreddata per una soluzione di metano (CH4) e p-xilene (p-C8H10) a 4,35 °C e 225 bar14. In contrasto con la letteratura14, in cui è stata indotta la solidificazione, miriamo a studiare le proprietà del liquido sottoraffreddato termodinamicamente instabile.

Finora sono stati riportati dati sperimentali su densità, solubilità, velocità del suono, capacità termica, tensione superficiale e viscosità per diversi liquidi sottoraffreddati, principalmente acqua3,10,15,16,17,18,19,20,21,22,23 ,24,25,26,27,28,29. Con l'eccezione di un'indagine sulla velocità del suono e sulle quantità derivate per l'acqua superraffreddata16, gli studi sopra riportati riportano dati osservati a pressioni vicine a quella atmosferica o non riportano la pressione sperimentale. I comuni metodi ad alta produttività per lo studio dei liquidi in condizioni di alta pressione sono la densimetria del tubo vibrante, il metodo della goccia pendente, il metodo della dispersione di Taylor, il metodo delle onde capillari, i metodi che utilizzano la spettroscopia Raman e la risonanza magnetica nucleare30,31,32,33,34 ,35,36,37,38,39,40,41. A nostra conoscenza, non è disponibile alcun rapporto sul loro utilizzo per liquidi superraffreddati ad alta pressione. Ammettiamo certamente che questi o altri metodi possano essere applicati per studiare le proprietà dei liquidi sottoraffreddati. Ad esempio, la spettroscopia Raman e la risonanza magnetica nucleare sono state utilizzate per studi sulla formazione di idrato di gas naturale in condizioni rilevanti42,43. Come mostriamo in questo studio, il nostro metodo di imaging neutronico one-pot non tattile44 è applicabile per lo studio di sistemi che coinvolgono liquidi superraffreddati esposti a gas pressurizzati.