CN1902294A - 用于低温应用的含芳香族烃的传热流体 - Google Patents

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帕特里克·皮埃尔·诺特
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Abstract

本公开了用于宽温度范围(例如从－125℃至+175℃)的传热流体。这些传热流体主要包括两种狭义上结构不同的烷基或聚烷基苯的组分的混合物，或者一种狭义上芳香族烷基或聚烷基苯组分和一种脂肪族烃组分的混合物。各种组分的含量使得该传热流体表现出浊点低于－100℃，+175℃时的蒸汽压低于827kPa，在浊点温度+10℃时测量的粘度低于400cP。

Description

用于低温应用的含芳香族烃的传热流体
本发明涉及可有效用于宽温度范围(例如-125℃～+175℃的温度)的传热流体。本发明的组合物主要包括至少两种结构不同的芳香族组分的组合物，该芳香族组分选自聚烷基苯和烷基苯，其中烷基部分为含1～6个碳原子的支链或直链碳链，烷基部分的碳原子总数为1～10个；或芳香族组分与脂肪族烃的混合物，该脂肪族烃具有含5～15个碳原子的直链或支链，或其混合物。该组合物设计成具有如下性质：其浊点低于-100℃，优选范围为-110℃～-175℃，+175℃时的蒸汽压低于827kPa，在浊点温度+10℃时测量的粘度低于400cP。
传送流体，特别是传热流体，已被长期商业应用。正如所预期的，关于该领域的现有技术非常多，各不相同，且具有多种改进的建议，特别是关于提高低温下流体的效率方面。目前，商用的传热流体可用于低于-80℃的温度。低于该温度下，其粘度会非常高，和/或产品会转变为固态。一些商用产品设计成降低该不利方面，但发现由于具有一些明显的缺点而不能适用于宽的温度范围，这些缺点包括蒸汽压过高、闪点过低和/或操作温度下的粘度过高。这些商业应用中的一种是以甲基环丙烷为基础的，其表现出明显的缺点，低的闪点(-25℃)和高的蒸汽压，这会造成其应用的不确定性。一种商用的硅基产品也有过高的粘度和凝固点，另外，其商用的吸引力很低。
US-A-6086782公开了包含或者相当于主要含量的萜烃和烷基苯。据称这些组合物在-18℃～-115℃范围内的任意温度下都保持液态。US-A-5484547描述了低温传热流体，其包含较多量的二醇组分和选自二氧戊环、二醇缩甲醛型(glycol formal)和二烷的第二组分，以及较少含量的常用添加剂。FR-A-1427017涉及致冷流体，其包含混合的异丙基/异丁基正硅酸盐四酯和少量乙基/丁基丙烯二醇二醚。这些组合物可用于低于-54℃的温度。Phillip E.Tuma，Pharmaceutical Technology，March 2000，pages 104-114概述了获得有效低温传热性能的各种障碍。其中特别注意可燃性、环境效应和热性能。EP-A-92089922.1涉及包含几乎等重量比的氟代烷和氢氟烷混合物的工作流体。该组合物可用于冰箱、冷却器、热泵和空调系统。其中的氢氟烷不能满足本发明的要求，因为在高于例如100℃的温度下其蒸汽压过高。虽然已知流体可用于选定的低温条件，但这种已知流体通常不充分，特别是用于更高的温度。
现有技术低温流体的缺点在操作上很明显；本领域技术的实际应用是资金密集型的，且在宽温度范围不能获得生产灵活性。
因此本发明的一个主要目的在于提供能在宽温度范围内操作的传热流体。本发明的另一个目的在于设计可在宽温度范围内有效应用的传热流体，特别是-125℃～+175℃，同时避免明显的蒸汽压增加和保持足够的流体性能。本发明的另一个目的在于设计具有可接受物理性能的传热流体。前述和其他益处可由下述传热流体获得，其包括至少两种结构不同的烷基-和/或聚烷基苯的混合物，或者芳香族烷基-和/或聚烷基苯组分和脂肪族烃的混合物，及其混合物。本发明的流体组合物中各种组分的含量选择使得该组合物表现出累积的物理性能，包括其浊点低于-100℃，+175℃时的蒸汽压低于827kPa，在浊点温度+10℃时测量的粘度低于400cP。本发明的技术在下面将更详细地描述。
说明书和权利要求书中所用的特定术语具有以下含义：
“浊点”是指冷却液体时具体组合物的多组分液体与出现第一固相间的平衡温度，根据ASTM D-2500方法测定。传热流体的液体浊点也可根据S.I.SANDERS，Chemical and Engineering Thermodynamics，Wiley，New York，1977，Chapter 8中的方法来计算；
“蒸汽压”是由PROCESS HEATING，November/December 1994，page 27，Volume 1，Number 4的方法测量，或者用R.C.REID，J.M.PRAUSNITZ and T.K.SHERWOOD，The Properties of Gases and Liquids，McGraw-Hill，New York，1977中所述的方法来计算；
“粘度”是根据ASTM D-455的方法测定，或者通过VAN VELZEN，CARDOZO and LANGENKAMP在R.C.Reid，J.M.PRAUSNITZ andT.K.SHERWOOD，The Properties of Gases and Liquids，McGraw-Hill，New York，1977，Chaper 9中所述的方法来计算；
除非不同的指定，术语“烷基”包括直链或支链类；
术语“脂肪族烃”(可)与术语“脂肪烷烃”互换使用；
除非特别指定，“百分比”或“％”是指重量百分比或wt.％；和
术语“结构不同的”是指第一芳香族组分与第二芳香族组分相比有不同的分子量，或者第一和第二芳香族组分是结构异构体。
本发明涉及可有效地用于宽温度范围(例如-125℃～+175℃的温度)的传热流体。此处的传热流体组合物主要包括(a)至少两种结构不同的组分的混合物，该组分选自烷基苯和聚烷基苯，其中烷基部分为含1～6个碳原子的支链或直链碳链，烷基部分的碳原子总数为1～10个；或者(b)芳香族组分和脂肪族烃的混合物，所述芳香族组分选自烷基苯和聚烷基苯，其中烷基部分为含1～6个碳原子的支链或直链碳链，烷基部分的碳原子总数为1～10个，所述脂肪族烃具有含5～15个碳原子的直链或支链，或其混合物，组分含量使得该组合物的浊点低于-100℃，优选的范围为-110℃～-175℃，+175℃时的蒸汽压低于827kPa，在浊点温度+10℃时测量的粘度低于400cP。
在此处的优选实施中，脂肪族烃包含5～10个碳原子，粘度低于300cP，+175℃时的蒸汽压低于621kPa，
本发明的传热流体主要包括至少两种结构不同的选自烷基苯和聚烷基苯的芳香族组分的混合物。这两种结构不同的芳香族组分表现为不同的分子量，即，例如该芳香烃组分中具有不同的碳原子数和/或不同的氢原子数。该不同的芳香族组份也可以表现为结构异构体。结构不同的异构体的实例为：邻二甲苯和间二甲苯；和正丙基苯和异丙基苯。含相同碳原子数和不同氢原子数的不同芳香族组分的实例为：正丁基苯和四氢化萘。结构不同的芳香组分中第一组分：第二组分的重量比范围通常为95∶5～5∶95，优选范围为80∶20～20∶80。芳香族组分的烷基部分优选为下述的任一种：甲基、乙基、二甲基、乙基甲基、三甲基、n-丙基、n-丁基、甲基(n-丙基)、二乙基、四甲基、n-戊基、乙基(n-丙基)、甲基(n-丁基)、n-己基、二(n-丙基)、三乙基，或其混合物。
各种优选的芳香族组分的实例为：甲苯、n-丙基苯、乙苯和n-丁基苯。可用于结构不同组分(包含或不包含脂肪族烃)优选组合的芳香族组分例如：至少二元组合物：甲苯/乙苯、甲苯/n-丙基苯、乙苯/n-丁基苯、n-丙基苯/n-丁基苯、乙苯/n-丙基苯和甲苯/n-丁基苯。不同芳香族组分的适当三元组合物的实例为：n-丙基苯/甲苯/乙苯、乙苯/n-丙基苯/n-丁基苯、n-丙基苯/n-丁基苯/甲苯和乙苯/甲苯/n-丁基苯。芳香族/烷烃组分的重量比范围通常为10∶90～90∶10，优选为15∶85～80∶20，更优选为20∶80～70∶30。
主要的脂肪族烷烃(脂肪族烃)组分具有含5～15个、优选为5～10个碳原子的直链或支链。
脂肪族烷基的代表性和优选物质为：戊烷-2，2，4-三甲基、戊烷-2，3，4-三甲基、戊烷-2-甲基、戊烷-3-甲基、己烷-2-甲基、己烷-3-甲基、n-己烷、己烷-2，2-二甲基、己烷-3，3-二甲基、n-庚烷、庚烷-4-甲基、n-辛烷和辛烷-2-甲基。脂肪族烷基组分可为单独的物质或物质的混合物。
相对于传热流体组合物的主要组分(100％)，本发明的组合物可包含作为任选组分的添加剂量的对应于权利要求中主要芳香族组分的全氢化烃，通常低于8％，优选低于5％。不饱和烃类(例如萜烃)和不饱和衍生物和/或其类似物会对权利要求的流体产生不良的影响，因此，相对于权利要求传热流体的主要组分(100％)，其含量限定为低于8％，优选低于5％。
本发明的组合物还可包含作为任选组分的添加剂量的组分，其可用于优化和提高本发明组合物的性能。类似的添加剂是传热流体领域所公知的，通常使用所属领域公知的量。使用的添加剂的具体实例包括抗氧化剂、染料和酸清除剂。术语“添加剂量”意为累计含量限定为0.01％～4％，优选为0.01％～2％。
使用本专利说明书中所引用的方法，测定了依照本发明的一系列实施例的性能参数。测量结果列在下表中，其列标题指代如下：
A＝样品号；
B＝浊点，℃
C＝+175℃时的蒸汽压，kPa；和
D＝浊点温度+10℃时的粘度，cP
E＝组分的重量分数(wt.％)
A         B         C         D           E           组分
8         -129.7    561.9     37.5        41.8        2-甲基己烷
                                          30.4        n-丙基苯
                                          27.8        甲苯
9         -128.6    309.5     60          36.6        n-丙基苯
                                          28.3        乙苯
                                          35.1        甲苯
10        -128.5    617       30.4        47.5        2-甲基己烷
                                          23.6        乙苯
                                          28.9        甲苯
11    -127.7       524.6     32        48.7        2-甲基己烷
                                       30.4        n-丙基苯
                                       20.9        乙苯
12    -127.5       784       21        63.6        2-甲基己烷
                                       13.4        n-己烷
                                       23.0        甲苯
13    -127         700.5     22        61.8        2-甲基己烷
                                       24.7        n-丙基苯
                                       13.5        n-己烷
14    -126.8       624       28        54.7        2-甲基己烷
                                       27          甲苯
                                       18.3        n-丁基苯
15    -126.3       703.2     23        66.2        2-甲基己烷
                                       20.6        甲苯
                                       13.2        n-庚烷
16    -126.1       537.8     29.5      59.9        2-甲基己烷
                                       26.5        n-丙基苯
                                       13.6        n-丁基苯
17    -125.3       279.2     62        40.2        n-丙基苯
                                       36.7        甲苯
                                       23.1        n-丁基苯
18    -125         580.5     25        61.3        2-甲基己烷
                                       21.0        乙苯
                                       17.7        n-丁基苯
19    -124         320.6     45.6      34.3        乙苯
                                       40.2        甲苯
                                       25.5        n-丁基苯
19    -123.7       713.6     20        74.6        2-甲基己烷
                                       25.4        甲苯
20    -123.3       608.1     21.5      71.4        2-甲基己烷
                                       28.6        n-丙基苯
21    -123.1    716.4    24        27.1        2-甲基戊烷
                                   42.5        n-丙基苯
                                   30.4        乙苯
22    -122.7    433      43.3      17.1        2，2，4-三甲基戊烷
                                   45.0        n-丙基苯
                                   37.9        甲苯
23    -122.1    173.7    58.1      42.7        n-丙基苯
                                   32.3        乙苯
                                   25.0        n-丁基苯
24    -121.8    441.9    31.6      48.9        n-丙基苯
                                   8.3         n-己烷
                                   42.8        甲苯
25    -121.7    370.9    39.3      49.3        n-丙基苯
                                   42.1        甲苯
                                   8.6         n-庚烷
26    -121.3    505.4    32        22.5        2，2，4-三甲基戊烷
                                   36.6        乙苯
                                   40.9        甲苯
27    -121.1    541.2    22.8      11.6        n-己烷
                                   41.7        乙苯
                                   46.7        甲苯
28    -120.6    375      39.5      27.1        2，2，4-三甲基戊烷
                                   42.2        n-丙基苯
                                   30.7        乙苯
29    -120.3    651.5    20.5      53.6        2，2，4-三甲基戊烷
                                   26.6        n-丙基苯
                                   19.8        n-己烷
29    -120.0    427.5    28.2      42.1        乙苯
                                   47.7        甲苯
                                   10.2        n-庚烷
30    -119        319.2     38.2      53.6        n-丙基苯
                                      46.4        甲苯
31    -118.8      275.1     35.6      51.4        n-丙基苯
                                      37.9        乙苯
                                      10.7        n-庚烷
32    -118.5      513.6     32.2      38.6        2，2，4-三甲基戊烷
                                      34.5        甲苯
                                      26.9        n-丁基苯
33    -118.2      324.7     29        45.4        n-丙基苯
                                      40.3        n-己烷
                                      14.3        乙苯
34    -117.5      560       20.3      15.9        n-己烷
                                      47.5        甲苯
                                      36.6        n-丁基苯
35    -117.2      376.5     26.3      47.5        乙苯
                                      52.5        甲苯
36    -116.9      403.3     24.7      51.5        n-丙基苯
                                      16.3        n-己烷
                                      32.2        n-丁基苯
37    -116.6      440.6     29.6      47.3        2，2，4-三甲基戊烷
                                      28.4        乙苯
                                      24.3        n-丁基苯
38    -116.0      407.5     28.3      48.7        甲苯
                                      13.3        n-庚烷
                                      38.0        n-丁基苯
39    -115.8      200.6     35.7      57.1        n-丙基苯
                                      42.9        乙苯
40    -115.5      230.3     39.15     2.7         n-丙基苯
                                      25.4        n-庚烷
                                      21.9        n-丁基苯
41    -115.1    481.9    18.1    18.8        n-己烷
                                 43.4        乙苯
                                 37.8        n-丁基苯
42    -115.0    602.6    14.4    53.6        n-丙基苯
                                 24.5        n-己烷
                                 21.9        n-庚烷
43    -113.7    296.5    26.6    45.5        乙苯
                                 15.8        n-庚烷
                                 38.7        n-丁基苯
44    -113.7    478.5    24.4    67.9        2，2，4-三甲基戊烷
                                 32.1        n-丙基苯
45    -113.6    622.6    20.6    75.2        2，2，4-三甲基戊烷
                                 24.8        甲苯
46    -113.2    711.5    10.7    32.7        n-己烷
                                 39.0        甲苯
                                 28.3        n-庚烷
47    -111.9    331      27.7    55.0        甲苯
                                 45.0        n-丁基苯
48    -111.6    125      45.6    60.4        n-丙基苯
                                 39.6        n-丁基苯
49    -111.2    712.2    10.3    34.0        n-己烷
                                 29.9        n-庚烷
                                 36.1        n-丁基苯
前述试验结果表明了本发明技术的优良性能。

Claims (13)

1.一种用于宽温度范围的传热流体，主要包括选自下面的组合物：
(a)至少两种结构不同的芳香族组分的混合物，所述芳香族组分选自烷基苯和聚烷基苯，其中烷基部分为含1～6个碳原子的支链或直链碳链，烷基部分的碳原子总数为1～10个；和
(b)芳香族组分和脂肪族烃的混合物，所述芳香族组分选自烷基苯和聚烷基苯，其中烷基部分为含1～6个碳原子的支链或直链碳链，烷基部分的碳原子总数为1～10个，所述脂肪族烃具有含5～15个碳原子的直链或支链，或其混合物；
各组成的含量使得该组合物的浊点低于-100℃，优选在-110℃～-175℃的范围内，+175℃时的蒸汽压低于827kPa，在流体的浊点温度+10℃时测量的粘度低于400cP。
2.权利要求1的传热流体，其中所述芳香族组分中的烷基部分选自：甲基、乙基、二甲基、乙基甲基、三甲基、n-丙基、n-丁基、甲基(n-丙基)、二乙基、四甲基、n-戊基、乙基(n-丙基)、甲基(n-丁基)、n-己基、二(n-丙基)、三乙基，或其混合物。
3.权利要求1的传热流体，其在+175℃时的蒸汽压低于621kPa。
4.权利要求1的传热流体，其粘度低于300cP。
5.权利要求1的传热流体，其中所述的脂肪族烃包含5～10个碳原子。
6.权利要求1的传热流体，其中所述的脂肪族烃为：戊烷-2，2，4-三甲基、戊烷-2，3，4-三甲基、戊烷-2-甲基、戊烷-3-甲基、己烷-2-甲基、己烷-3-甲基、n-己烷、己烷-2，2-二甲基、己烷-3，3-二甲基、n-庚烷、庚烷-4-甲基、n-辛烷和辛烷-2-甲基，及其混合物。
7.权利要求1(a)的传热流体，其中结构不同的芳香族组分的重量比范围为95∶5～5∶95。
8.权利要求1(b)的传热流体，其中芳香族组分：烃组分的重量比范围为10∶90～90∶10。
9.权利要求7的传热流体，其中所述的芳香族组分为如下的二元组合物：甲苯/乙苯、甲苯/n-丙基苯、甲苯/n-丁基苯、乙苯/n-丙基苯和n-丙基苯/n-丁基苯。
10.权利要求7的传热流体，其中结构不同的芳香族组分的重量比范围为80∶20～20∶80。
11.权利要求8的传热流体，其中芳香族组分：烃组分的重量比范围为15∶85～80∶20。
12.权利要求8的传热流体，其中芳香族组分：烃组分的重量比范围为20∶80～70∶30。
13.权利要求7的传热流体，其中的芳香族组分为如下的三元组合物：n-丙基苯/甲苯/乙苯、乙苯/n-丙基苯/n-丁基苯、n-丙基苯/n-丁基苯/甲苯、和乙苯/甲苯/n-丁基苯。
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