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Jun 11, 2023

Absorção de metano pressurizado em p normal e super-resfriado

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 136 (2023) Citar este artigo 636 Acessos 1 Detalhes da Altmetric Metrics O super-resfriamento de líquidos leva a peculiaridades pouco estudadas sob

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 136 (2023) Citar este artigo

636 Acessos

1 Altmétrico

Detalhes das métricas

O super-resfriamento de líquidos leva a peculiaridades pouco estudadas em condições de alta pressão. Aqui, relatamos a tensão superficial, solubilidade, difusividade e volume molar parcial para soluções líquidas normais e super-resfriadas de metano com p-xileno. Corpos líquidos de p-xileno perdidoterado (p-C8D10) e, para comparação, o-xileno (o-C8D10), foram expostos a metano pressurizado (CH4, até 101 bar) em temperaturas variando de 7,0 a 30,0 °C e observados em alta resolução espacial (tamanho de pixel 20,3 μm) usando um método de imagem de nêutrons não tátil. O super-resfriamento levou ao aumento da difusividade e do volume molar parcial do metano. A solubilidade e a tensão superficial eram insensíveis ao super-resfriamento, este último dependia substancialmente da pressão do metano. No geral, a imagem de nêutrons permitiu revelar e quantificar vários fenômenos que ocorrem em soluções líquidas super-resfriadas de p-xileno de metano sob pressões relevantes para o congelamento na produção de gás natural liquefeito.

Líquidos resfriados abaixo de seus pontos de fusão apresentam propriedades físicas peculiares, como alterações na viscosidade e difusividade, que são comumente atribuídas à heterogeneidade dinâmica em nível molecular . Os movimentos térmicos das moléculas ficam mais lentos devido a barreiras energéticas ou à falta de volume livre . Interações específicas, como ligações de hidrogênio e interações entre anéis aromáticos, podem estar envolvidas. Por exemplo, a formação de aglomerados semelhantes a gelo em água super-resfriada foi hipotetizada, uma vez que compostos orgânicos, como o-, m-, p-xileno, são volatilizados (as constantes de Henry aumentam) a partir de suas soluções super-resfriadas com água . Além da água, interações específicas provavelmente influenciam as propriedades de outros líquidos super-resfriados, como o p-xileno. Este composto, que solidifica a 0,84 GPa à temperatura ambiente, foi relatado como formando trímeros e tetrâmeros a 13,5 GPa11. Assim, pode-se esperar que a heterogeneidade em nível molecular do p-xileno líquido super-resfriado ocorra e esteja envolvida na solidificação espontânea e em propriedades dificilmente previsíveis devido à instabilidade termodinâmica.

O alto ponto de fusão normal do p-xileno (p-C8H10, 13,25 °C12) faz com que este composto possa condensar, ficar super-resfriado e se depositar em pontos frios na produção de gás natural liquefeito (GNL). Os outros isômeros de xileno são muito menos severos, os pontos de fusão normais12 são: − 25,17 °C (o-C8H10) e − 47,85 °C (m-C8H10). Além disso, o p-xileno é um composto de teste prático, além da água, para estudar líquidos super-resfriados em temperaturas bastante amenas. Embora a condensação dos compostos BTEX (benzeno, tolueno, etilbenzeno, xilenos) na produção de GNL seja evitada pela sua baixa concentração admitida (< 1 ppm13), este estudo pode trazer uma melhor compreensão dos fenômenos que ocorrem em pontos frios no processamento de gás natural e ampliar o conhecimento geral.

Estudos recentes relataram dados experimentais vitais e modelos preditivos que descrevem composições de fases coexistentes13,14 e, mais importante, a temperatura de fusão do p-xileno (p-C8H10) em sistemas compostos por metano (CH4) e p-xileno (p-C8H10) 14. Assim, o grau de super-resfriamento pode ser avaliado não apenas para o p-xileno puro, mas também para suas misturas com metano a pressões elevadas. O super-resfriamento alcançável geralmente depende da composição química e das superfícies do dispositivo experimental. Foi relatado que o super-resfriamento em cerca de 2 °C induz a solidificação do p-xileno em uma ponta de cobre resfriada para solução de metano (CH4) e p-xileno (p-C8H10) a 4,35 °C e 225 bar14. Em contraste com a literatura14, na qual a solidificação foi induzida, pretendemos estudar as propriedades do líquido super-resfriado termodinamicamente instável.

Dados experimentais sobre densidade, solubilidade, velocidade do som, capacidade térmica, tensão superficial e viscosidade foram relatados até agora para vários líquidos super-resfriados, principalmente água3,10,15,16,17,18,19,20,21,22,23 ,24,25,26,27,28,29. Com exceção de uma investigação sobre a velocidade do som e quantidades derivadas para água super-resfriada16, os estudos acima relatam dados observados em pressões próximas à atmosférica ou não relatam pressão experimental. Os métodos comuns de alto rendimento para estudar líquidos sob condições de alta pressão são a densimetria de tubo vibratório, método de gota pendente, método de dispersão de Taylor, método de ondas capilares, métodos que utilizam espectroscopia Raman e ressonância magnética nuclear30,31,32,33,34 ,35,36,37,38,39,40,41. Até onde sabemos, nenhum relatório sobre seu uso para líquidos super-resfriados sob altas pressões está disponível. Certamente admitimos que estes ou outros métodos podem ser aplicados para estudar as propriedades de líquidos super-resfriados. Por exemplo, espectroscopia Raman e Ressonância Magnética Nuclear foram utilizadas para estudos sobre a formação de hidrato de gás natural sob condições relevantes . Como mostramos neste estudo, nosso método de imagem de nêutrons de um único recipiente não tátil é aplicável para estudar sistemas envolvendo líquidos super-resfriados expostos a gases pressurizados.