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Jul 04, 2023

Absorption de méthane sous pression dans des conditions normales et surfondues

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 136 (2023) Citer cet article 676 Accès 1 Détails de Altmetric Metrics La surfusion des liquides conduit à des particularités qui sont peu étudiées sous

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 136 (2023) Citer cet article

676 Accès

1 Altmétrique

Détails des métriques

La surfusion des liquides conduit à des particularités peu étudiées dans des conditions de haute pression. Nous rapportons ici la tension superficielle, la solubilité, la diffusivité et le volume molaire partiel pour les solutions liquides normales et surfondues de méthane avec du p-xylène. Des corps liquides de p-xylène perdeutéré (p-C8D10) et, à titre de comparaison, d'o-xylène (o-C8D10), ont été exposés à du méthane sous pression (CH4, jusqu'à 101 bar) à des températures allant de 7,0 à 30,0 °C et observés. à haute résolution spatiale (taille de pixel 20,3 μm) en utilisant une méthode d'imagerie neutronique non tactile. La surfusion a entraîné une augmentation de la diffusivité et du volume molaire partiel du méthane. La solubilité et la tension superficielle étaient insensibles à la surfusion, cette dernière dépendant essentiellement de la pression du méthane. Dans l’ensemble, l’imagerie neutronique a permis de révéler et de quantifier de multiples phénomènes se produisant dans des solutions liquides de p-xylène surfondues de méthane sous des pressions pertinentes pour le gel dans la production de gaz naturel liquéfié.

Les liquides refroidis en dessous de leur point de fusion présentent des propriétés physiques particulières, telles que des changements de viscosité et de diffusivité, qui sont communément attribuées à l'hétérogénéité dynamique au niveau moléculaire1,2,3,4,5,6. Les mouvements thermiques des molécules ralentissent soit en raison de barrières énergétiques, soit du manque de volume libre1,7,8,9. Des interactions spécifiques, telles que les liaisons hydrogène et les interactions entre les cycles aromatiques, peuvent être impliquées. Par exemple, la formation d'amas ressemblant à de la glace dans l'eau surfondue a été émise puisque les composés organiques, tels que l'o-, le m-, le p-xylène, sont volatilisés (les constantes de Henry augmentent) à partir de leurs solutions surfondues avec l'eau10. Outre l’eau, des interactions spécifiques influencent probablement les propriétés d’autres liquides surfondus, tels que le p-xylène. Ce composé, qui se solidifie à 0,84 GPa à température ambiante, formerait des trimères et des tétramères à 13,5 GPa11. Ainsi, on peut s’attendre à ce que l’hétérogénéité au niveau moléculaire du p-xylène liquide surfondu se produise et soit impliquée dans la solidification spontanée et dans des propriétés difficilement prévisibles en raison de l’instabilité thermodynamique.

Le point de fusion normal élevé du p-xylène (p-C8H10, 13,25 °C12) fait que ce composé peut se condenser, devenir en surfusion et se déposer sur les points froids lors de la production de gaz naturel liquéfié (GNL). Les autres isomères du xylène sont beaucoup moins sévères, les points de fusion normaux12 sont : − 25,17 °C (o-C8H10) et − 47,85 °C (m-C8H10). En outre, le p-xylène est un composé d’essai pratique autre que l’eau pour étudier les liquides surfondus à des températures plutôt douces. Bien que la condensation des composés BTEX (benzène, toluène, éthylbenzène, xylènes) dans la production de GNL soit évitée grâce à leur faible concentration admise (< 1 ppm13), cette étude peut apporter une meilleure compréhension des phénomènes se produisant sur les points froids lors du traitement du GNL. gaz naturel et élargir les connaissances générales.

Des études récentes ont rapporté des données expérimentales vitales et des modèles prédictifs décrivant les compositions de phases coexistantes13,14 et, surtout, la température de fusion du p-xylène (p-C8H10) dans des systèmes comprenant du méthane (CH4) et du p-xylène (p-C8H10). 14. Ainsi, le degré de surfusion peut être évalué non seulement pour le p-xylène pur mais également pour ses mélanges avec du méthane à des pressions élevées. La surfusion réalisable dépend généralement de la composition chimique et des surfaces du dispositif expérimental. Il a été rapporté que la surfusion d'environ 2 °C induisait la solidification du p-xylène au niveau d'une pointe de cuivre refroidie pour une solution de méthane (CH4) et de p-xylène (p-C8H10) à 4,35 °C et 225 bar14. Contrairement à la littérature14, dans laquelle la solidification était induite, nous visons à étudier les propriétés du liquide surfondu thermodynamiquement instable.

Des données expérimentales sur la densité, la solubilité, la vitesse du son, la capacité thermique, la tension superficielle et la viscosité ont été rapportées jusqu'à présent pour plusieurs liquides surfondus, principalement l'eau3,10,15,16,17,18,19,20,21,22,23. ,24,25,26,27,28,29. À l’exception d’une étude sur la vitesse du son et les quantités dérivées pour l’eau surfondue16, les études ci-dessus rapportent des données observées à des pressions proches de la pression atmosphérique ou ne rapportent pas de pression expérimentale. Les méthodes courantes à haut débit pour étudier les liquides dans des conditions de haute pression sont la densimétrie à tube vibrant, la méthode des gouttes pendantes, la méthode de dispersion de Taylor, la méthode des ondes capillaires, les méthodes utilisant la spectroscopie Raman et la résonance magnétique nucléaire30,31,32,33,34. ,35,36,37,38,39,40,41. À notre connaissance, aucun rapport sur leur utilisation pour des liquides surfondus sous hautes pressions n’est disponible. Nous admettons certainement que ces méthodes ou d'autres peuvent être appliquées pour étudier les propriétés des liquides surfondus. Par exemple, la spectroscopie Raman et la résonance magnétique nucléaire ont été utilisées pour des études sur la formation d’hydrate de gaz naturel dans des conditions pertinentes42,43. Comme nous le montrons dans cette étude, notre méthode d’imagerie neutronique non tactile44 est applicable à l’étude de systèmes impliquant des liquides surfondus exposés à des gaz sous pression.