Prediction of thermo-physical properties of commercially available methane mixtures

The research for green sources of power is pushing in every technological sector, and methane is an attractive choice for space applications since it could be implemented as a fuel in couple with LOx, substituting the actual use of LH2. Since pure methane would be extremely expen sive, methane-based mixtures have to be considered. In this work, some of the major challenges regarding the use of these mixtures are faced, trying to understand how they behave at high tem peratures and pressures, and what are the potentially dangerous areas on a pressure-temperature diagram. Firstly, a general background of knowledge about gases, liquids and mixtures is given. Secondly, thermodynamic and transport properties for methane mixtures are evaluated in the supercritical region, with a code that implements the recent GERG-2008 EoS, which can grant the highest accuracy for hydrocarbons mixtures; here, ethane, propane, nitrogen, and hydrogen are considered as impurities with a mole fraction up to the 5%. The results are analysed to find the so-called Widom Lines, which are the locus of points in supercritical region, where many properties show pronounced extrema. However, these peaks vanish at higher pressures, and then, to visualize where these extrema are more pronounced, a “Widom Area” is depicted around each Widom Line, and it is defined as a region where strong gradients, above a certain threshold, are found. Many examples for different mixtures are given to underline how even a little amount of impurities can have strong effects on the supercritical behaviour of a mixture. Lastly, another kind of crossover, present in the supercritical state, is described. Viscosity co efficient and speed of sound are evaluated, to show the presence of a structural rather than a thermodynamic change in fluid atoms that causes a variation in the behaviour of those prop erties. Transport properties and speed of sound present minima that can be traced up to very high pressures, identifying what is called Frenkel Line, and this is done using a recent prediction method for the evaluation of the viscosity coefficient.

La ricerca di sorgenti di energia ecosostenibili sta accelerando in ogni settore tecnologico, e il metano è una scelta molto attraente per applicazioni spaziali, in quanto può essere impiegato in coppia con l’ossigeno liquido (LOx), sostituendo l’idrogeno liquido (LH2). Poiché l’utilizzo del metano puro sarebbe estremamente costoso, bisogna considerare miscele a base di metano, che contengano altre impurità. In questo lavoro, vengono affrontate alcune delle più grandi problematiche riguardanti l’utilizzo di queste miscele, provando a capire il loro comportamento ad alte temperature e pressioni, e ad individuare le aree potenzialmente pericolose su un diagramma pressione-temperatura. Nella fase iniziale del lavoro, vengono presentati i principi fondamentali per la descrizione di gas, liquidi e miscele. Successivamente, diverse proprietà termodinamiche vengono valutate in stato supercritico per miscele di metano, con frazioni molari fino al 5% di etano, propano, azoto e idrogeno. A tale scopo, è stata scelta la recente equazione di stato GERG 2008 [25], la quale garantisce un’elevata accuratezza per miscele di idrocarburi, anche oltre il punto critico. I risultati sono poi analizzati per trovare le “Widom Lines”, ovvero il luogo dei punti nella regione supercritica, in cui alcune proprietà termodinamiche presentano dei massimi o dei minimi. Queste linee indicano una transizione nello stato supercritico del fluido, passando da una struttura simile a quella di un liquido, ad una simile a quella di un gas. Questi picchi tuttavia, anche se ancora individuabili, si affievoliscono a pressioni più elevate, e per definire la regione in cui tali estremi sono associati a forti gradienti, una “Widom Area” è stata individuata attorno a ogni Widom Line, definendola come la regione di piano in cui la variazione di una particolare funzione termodinamica supera una certa soglia. Infine, viene descritta un’ulteriore transizione nella struttura del fluido, questa volta di carattere dinamico, e non termodinamico, che può essere identificata fino a pressioni molto alte. Questa linea, chiamata "Frenkel line", è associata al comportamento delle proprietà di trasporto, e per tanto, il coefficiente di viscosità è stato calcolato, utilizzando un recente modello di previsione che utilizza la stessa equazione di stato di questo lavoro. I minimi del coefficiente di viscosità e della velocità del suono vengono poi utilizzati per tracciare la Frenkel Line.