测量气体混合物的浓度的方法
【专利说明】测量气体混合物的浓度的方法
[0001] 发明背景
[0002] 本文公开的主题大体涉及用于测定气体混合物的浓度的方法和装置。
[0003] 利用现代精细化学分析技术如气体色谱分析法-质谱分析法，通常有可能以相对 较高的精确度确定气体混合物的组成。然而，这样精细的技术可能是耗时且昂贵的，因此经 常希望得到更简单的、更快的和/或比较便宜的技术。在某些情况下，可能已经确切知道气 体混合物中的成分的特性，仅需要确定已经鉴定的混合物的成分的浓度。
[0004] 这种情况的一个实例是制冷系统，如具有制冷剂流过的热传递环路的冷却装置或 空调系统。过去，热传递环路中使用的制冷剂通常由单一的化合物组成，诸如R-12、R_22或 R_134a。然而，对能够满足许多参数的苛刻规格的制冷剂的需求不断增加，如热传递性能、 臭氧消耗潜能（ODP)、全球增温潜能（GWP)、毒性和/或可燃性，使得用作制冷剂的不同化合 物的掺混物成为必然，以便提供期望的性能。然而，制冷剂掺混物的应用可能导致监测和维 护制冷系统性能的难题。例如，制冷系统可能容易在制冷剂环路中产生泄露。利用单一化 合物制冷剂，少量的泄露可能对系统性能不会具有显著的不利影响，除非大量的制冷剂漏 出系统。然而，利用掺混制冷剂时，泄露能够引起分馏，这会改变保留在系统中的制冷剂掺 混物的组成，而且能够不利地影响制冷剂特性或性能。因此，期望能够确定制冷剂掺混物中 的成分的浓度。
[0005] 已尝试通过监测制冷剂环路中不同位置上的制冷剂状态（例如，温度和压力）来 确定制冷剂掺混物组成。例如，美国专利6, 079, 217公开了一种制冷系统，其尝试通过测量 膨胀器件的进口和出口上的制冷剂状态（例如，压力和温度）来确定四种制冷剂的三重掺 混物的组成，这样，能够基于等焓假设和蒸气液体平衡状态图确定掺混物的组成。然而，这 样的尝试具有许多不利之处，如仅仅可用于非共沸掺混物，缺少便携性，而且它们需要在每 一个制冷系统中永久安装昂贵的温度传感器和压力传感器和控制子系统。
[0006] 发明简述
[0007] 在本发明的一个方面中，测量包含已鉴定的目标化合物和至少一种或多种其它已 鉴定的化合物的气态混合物中所述目标化合物的浓度的方法包括：
[0008] (a)使包含离子液体和/或低蒸气压有机溶剂的液体在第一温度和第一压力下暴 露于气态混合物，直到液体和气态混合物处于平衡状态，从而形成包含离子液体和/或低 蒸气压有机溶剂、目标化合物和至少一种或多种其它化合物的液体溶液；
[0009] (b)使液体溶液与气态混合物分离；
[0010] (C)将液体溶液在第二温度下的预计蒸气压函数确定为目标化合物和至少一种或 多种其它已鉴定的化合物中每一种的浓度的函数，其中基于液体中溶解的目标化合物和至 少一种或多种其它已鉴定的化合物的总摩尔数，化合物中每一种的指定摩尔浓度下的液体 溶液的预计蒸气压等于每一种化合物的蒸气压乘以其指定摩尔百分比的总和；
[0011] (d)测量第二温度下液体溶液的蒸气压；
[0012] (e)将第二温度下液体溶液的测得的蒸气压与第二温度下液体溶液的预计蒸气压 比较，并鉴定其中测得的蒸气压等于预计蒸气压的液体中的所有的已鉴定的目标化合物和 至少一种或多种其它已鉴定的化合物的摩尔浓度曲线；
[0013] (f)如果液体中已鉴定的目标化合物和至少一种或多种其它已鉴定的化合物不止 一个摩尔浓度曲线提供在第二温度下等于测得的蒸气压的预计蒸气压，那么在不同的温度 下重复步骤（c)-(e)，直到单一的摩尔浓度曲线提供在第二温度和另外的温度中的每一个 下匹配测得的蒸气压的预计蒸气压；
[0014] (g)分别地根据已鉴定的目标化合物和至少一种或多种其它已鉴定的化合物中每 一种在第一温度下在液体中的溶解度将产生于步骤（e)或步骤（f)的单一的浓度曲线转变 为已鉴定的目标化合物和至少一种或多种其它已鉴定的化合物在产生于步骤（a)的液体 中的浓度曲线；
[0015] (h)通过除已鉴定的目标化合物和至少一种或更多已鉴定的化合物中每一种的摩 尔百分比，计算气态混合物中已鉴定的目标化合物和至少一种或多种其它已鉴定的化合物 中每一种的分蒸气压；以及
[0016] (i)通过将来自步骤（h)的已鉴定的目标化合物的分蒸气压除以来自步骤（h)的 已鉴定的目标化合物和至少一种或多种其它已鉴定的化合物中每一种的分蒸气压的总和， 计算气态混合中已鉴定的目标化合物的摩尔百分比。
[0017] 在本发明的另一个方面中，用于测定气态混合物中已鉴定的目标化合物的浓度的 装置包括：其中具有包含离子液体和/或低蒸气压有机溶剂的液体的容器，用于测量容器 内的液体的温度的温度传感器，用于测量液体的蒸气压的压力传感器，和与容器的内部可 中断流体连通的样品端口。
[0018] 在本发明的另一个方面中，装置还包括控制器，所述控制器被配置来
[0019] (a)当样品端口连接气态混合物时，打开介于样品端口与容器之间的流体连通，以 使容器中的液体在第一温度和第一压力下暴露于气体混合物，直到液体和气态混合物处于 平衡状态，从而形成包含离子液体和/或低蒸气压有机溶剂、目标化合物和至少一种或多 种其它化合物的液体溶液；
[0020] (b)中断介于样品端口和容器之间的流体连通，以便使液体溶液与气态混合物分 离；
[0021] (C)将液体溶液在可以与第一温度相同或不同的第二温度下的预计蒸气压函数确 定为目标化合物和至少一种或多种其它已鉴定的化合物中每一种的浓度的函数，其中基于 液体中溶解的目标化合物和至少一种或多种其它已鉴定的化合物的总摩尔数，化合物中每 一种的指定摩尔浓度下的液体溶液的预计蒸气压等于每一种化合物的蒸气压乘以其指定 摩尔百分比的总和；
[0022] (d)在第二温度下，记录由压力传感器感测到的液体溶液的测得的蒸气压；
[0023] (e)将在第二温度下液体溶液的测得的蒸气压与在第二温度下液体溶液的预计蒸 气压函数比较，并且鉴定其中测得的蒸气压等于预计蒸气压的液体中的所有的已鉴定的目 标化合物和至少一种或多种其它已鉴定的化合物的摩尔浓度曲线；
[0024] (f)如果液体中已鉴定的目标化合物和至少一种或多种其它已鉴定的化合物的不 止一个摩尔浓度曲线提供在第二温度下等于测得的蒸气压的预计蒸气压，那么在不同的温 度下重复步骤（c)-(e)，直到单一的摩尔浓度曲线提供在第二温度和另外的温度中的每一 个下匹配测得的蒸气压的预计蒸气压；
[0025] (g)分别地根据已鉴定的目标化合物和至少一种或多种其它已鉴定的化合物中每 一种在第一温度下在液体中的溶解度将产生于步骤（e)或步骤（f)的单一的浓度曲线转变 为已鉴定的目标化合物和至少一种或多种其它已鉴定的化合物在产生于步骤（a)的液体 中的浓度曲线；
[0026] (h)通过除以已鉴定的目标化合物和至少一种或多种已鉴定的化合物中每一种的 摩尔百分比，计算气态混合物中已鉴定的目标化合物和至少一种或多种其它已鉴定的化合 物中每一种的分蒸气压；以及
[0027] (i)通过将来自步骤（h)的已鉴定的目标化合物的分蒸气压除以来自步骤（h)的 已鉴定的目标化合物和至少一种或多种其它已鉴定的化合物中每一种的分蒸气压的总和， 计算气态混合中已鉴定的目标化合物的摩尔百分比。
[0028] 附图简述
[0029] 被认为是本发明的主题将被特别指出并且在说明书结尾的权利要求书中明确地 要求保护。根据结合附图进行的以下【具体实施方式】，本发明的上述和其它特征和优势将显 而易见，其中：
[0030] 图1描绘以图表方式描绘示例性方法的方框流程图；
[0031]图2是溶解于离子液体中的示例性两种化合物气体混合物的作为气体化合物之 一的摩尔分数的函数的预计总蒸气压函数的图；
[0032] 图3是示例性气体化合物的溶解度的图，显示不同的温度下溶液中溶解的化合物 的摩尔分数与蒸气压的关系；
[0033] 图4是示例性气体化合物的溶解度的图，显示不同的温度下溶液中溶解的化合物 的摩尔分数与蒸气压的关系；以及
[0034]图5描绘如本发明所描述的示例性装置。
[0035] 发明详述
[0036] 在图1显示的流程图中描绘示例性方法。如图1显示的，流程图的方框110涉及使 包含离子液体和/或低蒸气压有机溶剂的液体在第一温度和第一压力下暴露于气态混合 物，直到液体和气态混合物处于平衡状态，从而形成包含离子液体和/或低蒸气压有机溶 剂和来自气体混合物的化合物的液体溶液。从那里，工艺流程移动到方框115,在方框115 中使液体溶液与气态混合物分离，能够通过简单地关闭介于容纳液体的容器和至制冷剂热 传递环路的低压管线的样品端口连接之间的阀门完成所述分离。
[0037] 在方框120中，方法将第二温度下液体溶液的预计蒸气压函数确定为目标化合物 和至少一种或多种其它已鉴定的化合物中每一种的浓度的函数。基于来自液体中溶解的气 体混合物的化合物的总摩尔数，每一种化合物的指定摩尔浓度下的液体溶液的预计蒸气压 等于每一种化合物的蒸气压乘以其指定摩尔百分比的总和。能够通过首先鉴定离子液体和 /或低蒸气压有机溶剂将对蒸气压仅具有可忽略的贡献并且可以将所述贡献假设为零来模 拟预计蒸气压函数或曲线。然后，可容易地从气体混合物的每一种已知的已鉴定的化合物 的在液体中的已知的溶解度曲线确定任何指定浓度下的预计蒸气压。能够通过涉及两种气 体化合物R-32和R-125和离子液体六氟磷酸1- 丁基-3-甲基咪唑鑰（BMM/PF6)的简单 的实施例说明这点。
[0038] 在这个说明性实施例中，在10°C和10巴压力下对R-32和R-125的气体混合物进 行取样，并且接触离子液体，直到其达到平衡。模拟25°C