甲烷-新戊烷体系相平衡行为的深度研究：揭示液化天然气生产中的结晶风险控制机制

本研究针对液化天然气(LNG)生产过程中重质组分新戊烷(neo-pentane)的结晶风险，通过实验测量100-240K温度范围内甲烷+新戊烷体系的固-液(SLE)、固-汽(SVE)、固-液-汽(SLVE)和汽-液(VLE)相平衡数据，证实新戊烷在液相甲烷中溶解度可达5mol%（LNG温度下），但在汽相中溶解度极低。研究为LNG工艺压力选择提供关键热力学依据，解决了125-200K区间数据缺失问题。

　　

在能源工业中，液化天然气(LNG)的生产过程犹如一场精密的"低温芭蕾"，其中重质烃类组分的结晶风险始终是困扰工程师的难题。新戊烷(neo-pentane)作为天然气中最重的组分之一，其高达256.6K的三相点温度本应预示严重的结晶风险，但近年研究却意外发现其在液态甲烷中具有异常高的溶解度（LNG温度下约5mol%）。这一反常现象与传统认知形成鲜明对比，而现有实验数据在125-200K关键温区存在显著空白，使得工业设计缺乏可靠依据。

为解决这一矛盾，国外研究团队在《Fluid Phase Equilibria》发表重要成果。研究人员采用两种实验装置（30mL蓝宝石平衡池和40cc哈氏合金平衡池）和两种方法（分析-等温法和合成非可视法），系统测量了100-240K温区的多相平衡数据。关键技术包括：使用LAUDA PRO RP 10100恒温浴（最低170K）和液氮冷却系统（最低77K）；通过气相色谱分析平衡相组成；采用Peng-Robinson状态方程(PR EoS)和经典固相逸度模型(CA)进行热力学建模。

研究结果部分，"1.1 Existing data"通过整理文献数据发现，虽然早期研究主要关注200K以上或125K以下的相行为，但新戊烷在液态甲烷中的溶解度显著高于芳香族化合物。"2. Materials and methods"详细描述了实验体系，使用纯度99.995%的甲烷和99%的新戊烷，通过交叉验证两种装置的数据可靠性。"3. Results and discussion"揭示关键发现：压力-温度相图显示液相甲烷存在于甲烷临界点(190.56K)至新戊烷三相点(256.6K)之间；相对挥发度分析表明模型在183K时低估气相新戊烷含量16%；固-液平衡数据显示新戊烷溶解度在140K（固-固转变温度）出现拐点但保持连续。

研究结论部分强调三个突破性认知：首先证实新戊烷在LNG生产条件下不会结晶的条件是保持压力高于SLVE曲线；其次揭示其反常高溶解度源于较低的总相变焓(5.84kJ/mol)和与甲烷相似的四面体分子结构；最后建立的热力学模型仅依靠VLE数据即可较好预测SLE行为（液相组成预测MAD=13.64%）。这些发现不仅解决了工业界关于新戊烷结晶风险的长期争议，更为LNG工艺优化提供了定量设计工具。特别值得注意的是，研究指出新戊烷在液态甲烷中的溶解度是正戊烷的5倍，这一反直觉现象通过热力学分析得到合理解释，为复杂混合物相行为预测提供了新思路。