分子シミュレーションによるアルカン-Co2システムの相互溶解度に対する分岐の影響

炭化水素-Co2システムの相互溶解度は、幅広いアプリケーションで重要です。大きな炭化水素分子とCO2の位相挙動の実験データと理論的理解は限られています。これは、炭素数が12を超える場合の炭化水素の分子構造に関連して特に当てはまります。この作業では、連続した分数成分アンサンブルモンテカルロシミュレーションを使用して、異なるアルカンおよびCO2システムと分子構造の相互溶解度を調査します。N-デカン、N-ヘキサデカン、N-エイコサン、およびCO2に富む炭化水素リッチ相の対応する構造異性体の相互溶解度を調査します。焦点は、重い正常アルカンとCO2の構造異性体の溶解度です。シミュレーション結果は、測定が利用可能なときに実験データを比較することにより検証されます。N-Decane-Co2システムの位相挙動のシミュレーションは、実験と一致します。また、有限のサイズ効果のために、臨界領域から離れたn-ヘキサデカン-Co2およびn-エイコサン-Co2システムのシミュレーション結果を提示します。CO2への炭化水素の溶解度は、より重いアルカンの分子構造の変化により改善されることを確立します。溶解度の向上はデカン異性体では制限されていますが、ヘキサデカンとエイコサンの異性体は2〜3回の溶解度の向上を示します。分子動力学シミュレーションは、改善がメチレン（CH2）グループではなく、メチル（CH3）のCO2の配位数が高いことからのものであることを示唆しています。この研究では、機能性を考慮するだけでなく、分子構造を変更することによってCO2に可溶な炭化水素の分子工学と合成の段階を設定します。溶解度の向上は、CO2の使用を拡大するCO2のviscosificationの最初のステップです。

Mutual solubilities of hydrocarbon-CO2 systems are important in a broad range of applications. Experimental data and theoretical understanding of phase behavior of large hydrocarbon molecules and CO2 are limited. This is especially true in relation to the molecular structure of hydrocarbons when the carbon number exceeds 12. In this work, the continuous fractional component Gibbs ensemble Monte Carlo simulations are used to investigate mutual solubility of different alkane and CO2 systems and the molecular structure. We investigate the mutual solubility of n-decane, n-hexadecane, n-eicosane, and the corresponding structural isomers in the CO2-rich and hydrocarbon-rich phase. The focus will be solubility of the heavy normal alkanes and their structural isomers in CO2. The simulation results are verified by comparing the experimental data when measurements are available. The simulation of phase behavior of the n-decane-CO2 system agrees with the experiments. We also present simulation results of n-hexadecane-CO2 and n-eicosane-CO2 systems away from the critical region partly due to the finite size effect. We establish that solubility of the hydrocarbons in CO2 is improved by change of the molecular structure in heavier alkanes. The enhanced solubility is limited in decane isomers, but the isomers of hexadecane and eicosane show 2- to 3-time solubility enhancement. The molecular dynamics simulations suggest that the improvement is from a higher coordination number of CO2 for methyl (CH3) rather than for methylene (CH2) groups. This study sets the stage for molecular engineering and synthesis of hydrocarbons that are soluble in CO2 not only by considering functionality but also by changing the molecular structure. The solubility enhancement is the first step in viscosification of CO2 which broadens the use of CO2.