測量氣體混合物的濃度的方法
【專利說明】測量氣體混合物的濃度的方法
[0001] 發(fā)明背景
[0002] 本文公開的主題大體涉及用于測定氣體混合物的濃度的方法和裝置。
[0003] 利用現(xiàn)代精細化學分析技術(shù)如氣體色譜分析法-質(zhì)譜分析法，通常有可能以相對 較高的精確度確定氣體混合物的組成。然而，這樣精細的技術(shù)可能是耗時且昂貴的，因此經(jīng) 常希望得到更簡單的、更快的和/或比較便宜的技術(shù)。在某些情況下，可能已經(jīng)確切知道氣 體混合物中的成分的特性，僅需要確定已經(jīng)鑒定的混合物的成分的濃度。
[0004] 這種情況的一個實例是制冷系統(tǒng)，如具有制冷劑流過的熱傳遞環(huán)路的冷卻裝置或 空調(diào)系統(tǒng)。過去，熱傳遞環(huán)路中使用的制冷劑通常由單一的化合物組成，諸如R-12、R_22或 R_134a。然而，對能夠滿足許多參數(shù)的苛刻規(guī)格的制冷劑的需求不斷增加，如熱傳遞性能、 臭氧消耗潛能（ODP)、全球增溫潛能（GWP)、毒性和/或可燃性，使得用作制冷劑的不同化合 物的摻混物成為必然，以便提供期望的性能。然而，制冷劑摻混物的應用可能導致監(jiān)測和維 護制冷系統(tǒng)性能的難題。例如，制冷系統(tǒng)可能容易在制冷劑環(huán)路中產(chǎn)生泄露。利用單一化 合物制冷劑，少量的泄露可能對系統(tǒng)性能不會具有顯著的不利影響，除非大量的制冷劑漏 出系統(tǒng)。然而，利用摻混制冷劑時，泄露能夠引起分餾，這會改變保留在系統(tǒng)中的制冷劑摻 混物的組成，而且能夠不利地影響制冷劑特性或性能。因此，期望能夠確定制冷劑摻混物中 的成分的濃度。
[0005] 已嘗試通過監(jiān)測制冷劑環(huán)路中不同位置上的制冷劑狀態(tài)（例如，溫度和壓力）來 確定制冷劑摻混物組成。例如，美國專利6, 079, 217公開了一種制冷系統(tǒng)，其嘗試通過測量 膨脹器件的進口和出口上的制冷劑狀態(tài)（例如，壓力和溫度）來確定四種制冷劑的三重摻 混物的組成，這樣，能夠基于等焓假設(shè)和蒸氣液體平衡狀態(tài)圖確定摻混物的組成。然而，這 樣的嘗試具有許多不利之處，如僅僅可用于非共沸摻混物，缺少便攜性，而且它們需要在每 一個制冷系統(tǒng)中永久安裝昂貴的溫度傳感器和壓力傳感器和控制子系統(tǒng)。
[0006] 發(fā)明簡述
[0007] 在本發(fā)明的一個方面中，測量包含已鑒定的目標化合物和至少一種或多種其它已 鑒定的化合物的氣態(tài)混合物中所述目標化合物的濃度的方法包括：
[0008] (a)使包含離子液體和/或低蒸氣壓有機溶劑的液體在第一溫度和第一壓力下暴 露于氣態(tài)混合物，直到液體和氣態(tài)混合物處于平衡狀態(tài)，從而形成包含離子液體和/或低 蒸氣壓有機溶劑、目標化合物和至少一種或多種其它化合物的液體溶液；
[0009] (b)使液體溶液與氣態(tài)混合物分離；
[0010] (C)將液體溶液在第二溫度下的預計蒸氣壓函數(shù)確定為目標化合物和至少一種或 多種其它已鑒定的化合物中每一種的濃度的函數(shù)，其中基于液體中溶解的目標化合物和至 少一種或多種其它已鑒定的化合物的總摩爾數(shù)，化合物中每一種的指定摩爾濃度下的液體 溶液的預計蒸氣壓等于每一種化合物的蒸氣壓乘以其指定摩爾百分比的總和；
[0011] (d)測量第二溫度下液體溶液的蒸氣壓；
[0012] (e)將第二溫度下液體溶液的測得的蒸氣壓與第二溫度下液體溶液的預計蒸氣壓 比較，并鑒定其中測得的蒸氣壓等于預計蒸氣壓的液體中的所有的已鑒定的目標化合物和 至少一種或多種其它已鑒定的化合物的摩爾濃度曲線；
[0013] (f)如果液體中已鑒定的目標化合物和至少一種或多種其它已鑒定的化合物不止 一個摩爾濃度曲線提供在第二溫度下等于測得的蒸氣壓的預計蒸氣壓，那么在不同的溫度 下重復步驟（c)-(e)，直到單一的摩爾濃度曲線提供在第二溫度和另外的溫度中的每一個 下匹配測得的蒸氣壓的預計蒸氣壓；
[0014] (g)分別地根據(jù)已鑒定的目標化合物和至少一種或多種其它已鑒定的化合物中每 一種在第一溫度下在液體中的溶解度將產(chǎn)生于步驟（e)或步驟（f)的單一的濃度曲線轉(zhuǎn)變 為已鑒定的目標化合物和至少一種或多種其它已鑒定的化合物在產(chǎn)生于步驟（a)的液體 中的濃度曲線；
[0015] (h)通過除已鑒定的目標化合物和至少一種或更多已鑒定的化合物中每一種的摩 爾百分比，計算氣態(tài)混合物中已鑒定的目標化合物和至少一種或多種其它已鑒定的化合物 中每一種的分蒸氣壓；以及
[0016] (i)通過將來自步驟（h)的已鑒定的目標化合物的分蒸氣壓除以來自步驟（h)的 已鑒定的目標化合物和至少一種或多種其它已鑒定的化合物中每一種的分蒸氣壓的總和， 計算氣態(tài)混合中已鑒定的目標化合物的摩爾百分比。
[0017] 在本發(fā)明的另一個方面中，用于測定氣態(tài)混合物中已鑒定的目標化合物的濃度的 裝置包括：其中具有包含離子液體和/或低蒸氣壓有機溶劑的液體的容器，用于測量容器 內(nèi)的液體的溫度的溫度傳感器，用于測量液體的蒸氣壓的壓力傳感器，和與容器的內(nèi)部可 中斷流體連通的樣品端口。
[0018] 在本發(fā)明的另一個方面中，裝置還包括控制器，所述控制器被配置來
[0019] (a)當樣品端口連接氣態(tài)混合物時，打開介于樣品端口與容器之間的流體連通，以 使容器中的液體在第一溫度和第一壓力下暴露于氣體混合物，直到液體和氣態(tài)混合物處于 平衡狀態(tài)，從而形成包含離子液體和/或低蒸氣壓有機溶劑、目標化合物和至少一種或多 種其它化合物的液體溶液；
[0020] (b)中斷介于樣品端口和容器之間的流體連通，以便使液體溶液與氣態(tài)混合物分 離；
[0021] (C)將液體溶液在可以與第一溫度相同或不同的第二溫度下的預計蒸氣壓函數(shù)確 定為目標化合物和至少一種或多種其它已鑒定的化合物中每一種的濃度的函數(shù)，其中基于 液體中溶解的目標化合物和至少一種或多種其它已鑒定的化合物的總摩爾數(shù)，化合物中每 一種的指定摩爾濃度下的液體溶液的預計蒸氣壓等于每一種化合物的蒸氣壓乘以其指定 摩爾百分比的總和；
[0022] (d)在第二溫度下，記錄由壓力傳感器感測到的液體溶液的測得的蒸氣壓；
[0023] (e)將在第二溫度下液體溶液的測得的蒸氣壓與在第二溫度下液體溶液的預計蒸 氣壓函數(shù)比較，并且鑒定其中測得的蒸氣壓等于預計蒸氣壓的液體中的所有的已鑒定的目 標化合物和至少一種或多種其它已鑒定的化合物的摩爾濃度曲線；
[0024] (f)如果液體中已鑒定的目標化合物和至少一種或多種其它已鑒定的化合物的不 止一個摩爾濃度曲線提供在第二溫度下等于測得的蒸氣壓的預計蒸氣壓，那么在不同的溫 度下重復步驟（c)-(e)，直到單一的摩爾濃度曲線提供在第二溫度和另外的溫度中的每一 個下匹配測得的蒸氣壓的預計蒸氣壓；
[0025] (g)分別地根據(jù)已鑒定的目標化合物和至少一種或多種其它已鑒定的化合物中每 一種在第一溫度下在液體中的溶解度將產(chǎn)生于步驟（e)或步驟（f)的單一的濃度曲線轉(zhuǎn)變 為已鑒定的目標化合物和至少一種或多種其它已鑒定的化合物在產(chǎn)生于步驟（a)的液體 中的濃度曲線；
[0026] (h)通過除以已鑒定的目標化合物和至少一種或多種已鑒定的化合物中每一種的 摩爾百分比，計算氣態(tài)混合物中已鑒定的目標化合物和至少一種或多種其它已鑒定的化合 物中每一種的分蒸氣壓；以及
[0027] (i)通過將來自步驟（h)的已鑒定的目標化合物的分蒸氣壓除以來自步驟（h)的 已鑒定的目標化合物和至少一種或多種其它已鑒定的化合物中每一種的分蒸氣壓的總和， 計算氣態(tài)混合中已鑒定的目標化合物的摩爾百分比。
[0028] 附圖簡述
[0029] 被認為是本發(fā)明的主題將被特別指出并且在說明書結(jié)尾的權(quán)利要求書中明確地 要求保護。根據(jù)結(jié)合附圖進行的以下【具體實施方式】，本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)勢將顯 而易見，其中：
[0030] 圖1描繪以圖表方式描繪示例性方法的方框流程圖；
[0031]圖2是溶解于離子液體中的示例性兩種化合物氣體混合物的作為氣體化合物之 一的摩爾分數(shù)的函數(shù)的預計總蒸氣壓函數(shù)的圖；
[0032] 圖3是示例性氣體化合物的溶解度的圖，顯示不同的溫度下溶液中溶解的化合物 的摩爾分數(shù)與蒸氣壓的關(guān)系；
[0033] 圖4是示例性氣體化合物的溶解度的圖，顯示不同的溫度下溶液中溶解的化合物 的摩爾分數(shù)與蒸氣壓的關(guān)系；以及
[0034]圖5描繪如本發(fā)明所描述的示例性裝置。
[0035] 發(fā)明詳述
[0036] 在圖1顯示的流程圖中描繪示例性方法。如圖1顯示的，流程圖的方框110涉及使 包含離子液體和/或低蒸氣壓有機溶劑的液體在第一溫度和第一壓力下暴露于氣態(tài)混合 物，直到液體和氣態(tài)混合物處于平衡狀態(tài)，從而形成包含離子液體和/或低蒸氣壓有機溶 劑和來自氣體混合物的化合物的液體溶液。從那里，工藝流程移動到方框115,在方框115 中使液體溶液與氣態(tài)混合物分離，能夠通過簡單地關(guān)閉介于容納液體的容器和至制冷劑熱 傳遞環(huán)路的低壓管線的樣品端口連接之間的閥門完成所述分離。
[0037] 在方框120中，方法將第二溫度下液體溶液的預計蒸氣壓函數(shù)確定為目標化合物 和至少一種或多種其它已鑒定的化合物中每一種的濃度的函數(shù)?；趤碜砸后w中溶解的氣 體混合物的化合物的總摩爾數(shù)，每一種化合物的指定摩爾濃度下的液體溶液的預計蒸氣壓 等于每一種化合物的蒸氣壓乘以其指定摩爾百分比的總和。能夠通過首先鑒定離子液體和 /或低蒸氣壓有機溶劑將對蒸氣壓僅具有可忽略的貢獻并且可以將所述貢獻假設(shè)為零來模 擬預計蒸氣壓函數(shù)或曲線。然后，可容易地從氣體混合物的每一種已知的已鑒定的化合物 的在液體中的已知的溶解度曲線確定任何指定濃度下的預計蒸氣壓。能夠通過涉及兩種氣 體化合物R-32和R-125和離子液體六氟磷酸1- 丁基-3-甲基咪唑鑰（BMM/PF6)的簡單 的實施例說明這點。
[0038] 在這個說明性實施例中，在10°C和10巴壓力下對R-32和R-125的氣體混合物進 行取樣，并且接觸離子液體，直到其達到平衡。模擬25°C