CN111847388A - 一种变压吸附制氧机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种变压吸附制氧机，将吸附罐顶部排出的氧气气流的一部分回流至原料气罐中，与空气混合形成高含氧的原料气，用于空分制氧，由于原料气中氮气含量被回流的氧气稀释，因此在穿越床层时，因氮气吸附导致的气流压力损失相较于直接空气进料而言变小，从而保证吸附罐顶部的分子筛颗粒处于相对更高的压力环境，从而具备更高的吸附分离能力，提高了整体床层的氮吸附量；通过使用梯度粒径的分子筛颗粒改善了床层阻力和氮吸附量在床层高度上的分布，使得在传统填充方案中的因床层阻力和氮吸附双重原因导致的低气压环境的床层顶部局部了相对更高的气压环境和非气压原因的氮吸附性能(高比表面积导致)；为克服梯度粒径的填充层带来的逆放难题，在吸附罐内设置若干逆放支管，以辅助逆放排气，极大改善了逆放排气效率。

Description

一种变压吸附制氧机
技术领域
本发明涉及一种医疗器械，具体涉及一种变压吸附制氧机。
背景技术
制氧机是一种常见的医疗设备，目前常规的医用制氧机，按其制氧原理可以分为两类：一类是通过电解水制造氧气；另一类是利用分子筛吸附分离空气制氧，即变压吸附(Pressure Swing Adsorption.简称PSA)；电解水制氧方式分离成本低，噪音低，制氧浓度高，但易产生安全性隐患。虽然分子筛制氧的理论最高浓度仅为96％，低于电解水制氧和深冷制氧(主要用于大型工业化制氧)，但其设备简单，安全性高，且制氧浓度能够满足大多数临床用氧需求，因此是目前临床用于患者缺氧预防和治疗的主要方式。
PSA制氧的核心部件是分子筛吸附罐，目前，主流的分子筛吸附罐均采用固定床填充模式，即将颗粒状沸石分子筛堆叠填充于罐体内，吸附时，使空气按预定流向穿过床层实现对空气中氮气或氧气的吸附。这一过程中，为保证出口氧浓度，需保证足够的床层厚度(指空气穿越床层的路径)，使空气在穿越床层的过程中，气流中的氮气被逐渐吸附完全。由于空气中氮气的含量占78％；床层两端存在明显的压降，该压降导致位于床层两端的分子筛表现出不同的吸附效率(上游侧压力高，分子筛吸附量大；下游侧压力低，分子筛吸附量少)，进而导致要保证出***氧量时，需使用更大的床层厚度，并且会导致下游侧分子筛的低利用率；再者，由于上游侧分子筛接触的气流中氮含量相对较大，会最先达到吸附饱和从而失去分离功能；而此时，上游侧分子筛仍由于气流中大量氮气已被吸附，处于相对低压的工作环境，其相对吸附量也已接近饱和。因此，为提供相对长的吸附工作周期，以允许完成另一吸附罐的解吸再生过程，需要在吸附罐中填充足量的分子筛吸附剂以应对上游侧分子筛过早的吸附饱和时间。但余量的分子筛吸附剂会导致更大的床层阻力，从而进一步拉大上下游吸附剂的吸附能力差异。
发明内容
为解决现有技术中的问题，本发提供一种制氧机。具体方案如下：
提供一种变压吸附制氧机，包括左右两个分子筛吸附罐、空压机和原料气罐；所述空压机连接原料气罐并向其供给空气；所述原料气罐分别通过左、右原料气管连接左罐和右罐底部的进气口；所述左、右原料气管上分别布置有进气阀；所述左、右罐内部均填充有分子筛吸附剂，用于吸附原料气中的氮气；所述左、右罐顶部的排气口分别通过左、右排气管连接产品气管；所述左、右排气管上分别设置有排气阀；所述左、右原料气管上位于进气阀与对应吸附罐的进气口之间的某一位置分别通过一带逆放阀的管线连通逆放管；所述左、右排气管上位于排气阀对应吸附罐的排气口之间的某一位置通过一带均压阀的均压管连通。
所述制氧机还包括氧回流管和布置在其上的回流氧压缩机；所述氧回流管的下端连接原料气罐；所述左、右排气管上位于排气阀的上游某处分别通过一带回流阀的回流支管连接氧回流管的上端。
本发明的所述制氧机工作时，吸附罐顶部排出的氧气的一部分通过回流氧压缩机加压后进入原料气罐，与空压机输送来的空气混合成为高含氧原料气；该高含氧原料气随后进入吸附罐进行空分制氧。在相应吸附罐的吸附过程中，氧气持续回流。
由于运行过程中，氧气持续回流，进入分子筛吸附罐的原料气中氧含量较正常空气中的氧含量高；气流经过整个分子筛吸附罐时，因氮气吸附导致的压力损失程度减小；例如在不考虑床层阻力的情况下，采用直接空气进料时，因氮气吸附导致的压力损失可达78％；而采用例如50％高含氧原料气进料时，因氮气吸附导致的压力损失仅为50％；这使得位于吸附罐上端的分子筛也能处于较高的压力环境，因而表现出更高的吸附量，使得整体床层的吸附能力获得显著提高。
分子筛吸附罐的均压、逆放、再生等过程可根据传统工艺进行。
进一步的，为改善吸附罐的床层阻力，提供对吸附罐填充方式的改进。
具体的，在分子筛吸附罐内沿气流方向使用粒径逐渐变小的吸附剂颗粒进行填充；具有不同粒径的分子筛填充层之间使用分隔件进行分隔，防止不同层的颗粒相互迁移，所述分隔件可以是格栅板或丝网等。各填充层的填充厚度可以相同也可以沿气流方向逐渐减小。
进一步的，本发明在吸附罐内部纵向设置贯穿分子筛床层的若干逆放支管；所述若干逆放支管的底部通过连接管连接于汇流管；所述汇流管穿出吸附罐的底部并通过逆放辅助阀连通逆放管。所述逆放支管的首尾两端封闭，侧面设有能截留分子筛颗粒但允许逆放气通过的透气孔。
优选的每一根逆放支管由若干段拼接组成，且各段分别对应于吸附罐内的不同填充层。所述逆放支管的相邻两段之间通过连接部密封连接。在逆放支管各段的连接处设置仅能向下开启的单向阀组件，以允许在逆放过程中开启通路，向下排出逆放气，而在吸附时封闭通路，防止气体窜流。
相比于现有技术，本发明至少能够取得如下有益效果：本发明将吸附罐顶部排出的氧气气流的一部分回流至原料气罐中，与空气混合形成高含氧的原料气，用于空分制氧，由于原料气中氮气含量被回流的氧气稀释，因此在穿越床层时，因氮气吸附导致的气流压力损失相较于直接空气进料而言变小，从而保证吸附罐顶部的分子筛颗粒处于相对更高的压力环境，从而具备更高的吸附分离能力，提高了整体床层的氮吸附量；同时，本发明通过使用梯度粒径的分子筛颗粒改善了床层阻力和氮吸附量在床层高度上的分布，使得在传统填充方案中的因床层阻力和氮吸附双重原因导致的低气压环境的床层顶部局部了相对更高的气压环境和非气压原因的氮吸附性能(高比表面积导致)；此外，为克服梯度粒径的填充层带来的逆放难题，本发明在吸附罐内设置若干逆放支管，以辅助逆放排气，极大改善了逆放排气效率。
附图说明
图1为分子筛罐的管路连接关系示意；
图2为分子筛罐的填充方式示意；
图3为图2中不同填充方式的床层阻力示意；
图4为均流格栅示意；
图5为逆放支管在分子筛罐内的安装示意；
图6为逆放支管示意；
图7为逆放支管的单管示意；
图8为图7中圆形区域的局部放大剖面示意。
具体实施方式
为更好地阐述本发明的技术构思，下面结合附图对本发明的方案做进一步的说明。需说明的是，本发明中使用的“左”、“右”、“上”、“下”描述仅是为了便于结合附图所展示的位置关系区分不同的部件，并不代表实际实施时的左右位置限制；而所使用的“上游”、“下游”则指代沿气体流动方向区分的前后关系。
实施例1
参见图1，提供一种变压吸附制氧机，包括两个分子筛吸附罐，分别记为左罐1和右罐 2；还包括空压机3、原料气罐4；所述空压机3的出口通过空气管5连接原料气罐4；所述原料气罐4分别通过左原料气管61和右原料气管62连接左罐1和右罐2底部的进气口17；所述左原料气管61和右原料气管62上分别布置有进气左阀V1和进气右阀V2；所述左罐1 和右罐2内部均填充有分子筛吸附剂，用于吸附原料气中的氮气；所述左罐1和右罐2的顶部排气口18分别通过左排气管71和右排气管72连接产品气管8；所述左排气管71和右排气管72上分别设置有左排气阀V10和右排气阀V11；所述左原料气管61上位于左进气阀 V1的下游与左罐1的进气口17之间的某一位置通过带左逆放阀V3的管线连通逆放管9；所述右原料气管61上位于右进气阀V2的下游与右罐2的进气口17之间的某一位置通过带右逆放阀V4的管线连通逆放管9；所述左排气管71上位于左排气阀V10与左罐1的排气口 18之间的某一位置于右排气管72上位于右排气阀V11与右罐2的排气口18之间的某一位置之间通过一带均压阀V7的均压管连通。
仍然参见图1，还包括氧回流管10和布置在其上的回流氧压缩机11；所述氧回流管10 的下端连接原料气罐4；所述左排气管71上位于左排气阀V10的上游某处通过一带左回流阀V8的回流支管连接氧回流管10的上端；所述右排气管72上位于右排气阀V11的上游某处通过一带右回流阀V9的回流支管连接氧回流管10的上端。
本实施例的工作过程如下：空压机3首先通过空气管5向原料气罐4内供给空气；左进气阀V1、左回流阀V8开启，其他阀门关闭；空气通过左原料气管61从进气口17进入左罐1；左罐1内的分子筛吸附剂吸附气流中的氮气；氧气气流从左罐1的排气口18排出；开启回流氧压缩机11，氧气气流经氧回流管10进入原料气罐4内与空气混合成为高含氧原料气；待原料气中的氧含量达到预定值(可根据实际情况选定，如50％等)后，开启左排气阀V10，向外供给氧气，同时氧气持续回流。
由于运行过程中，氧气持续回流，进入分子筛吸附罐的原料气中氧含量较正常空气中的氧含量高；气流经过整个分子筛吸附罐时，因氮气吸附导致的压力损失程度减小；例如在不考虑床层阻力的情况下，采用直接空气进料时，因氮气吸附导致的压力损失可达78％；而采用例如50％高含氧原料气进料时，因氮气吸附导致的压力损失仅为50％；这使得位于吸附罐上端的分子筛也能处于较高的压力环境，因而表现出更高的吸附量，使得整体床层的吸附能力获得显著提高。
分子筛吸附罐的均压、逆放、再生等过程可根据传统工艺进行。
实施例2
实施例1中由于采用了氧回流过程，使得分子筛吸附剂床层的整体吸附性能得到大幅度提升。而实际运行时，气流通过吸附床层的阻力也会导致较大的失压(压力降低)；尤其是在采用氧回流工艺后，如要保证供氧量不变，吸附罐内的气流流量会显著增大，这将导致更大的床层阻力，进而抵消部分由氧回流工艺带来的吸附失压的减小程度；即氧回流工艺可以是因氮吸附过程导致的失压程度减小；但氧回流导致的罐内流速增大则导致因床层阻力导致的失压程度变大；因此，氧回流量存在一个上限，超过该上限，床层阻力导致的失压增大量将超过氮吸附导致的失压减小量。
本实施例提供吸附罐填充方案，以期进一步降低床层阻力，并改变因床层阻力导致的失压分布情况，从而提高氧回流量的上限。
具体的，参见图2。图2A所示为现有技术中的吸附罐填充方式，其采用粒径基本均一的分子筛颗粒，假定其粒径为3。其沿床层高度的床层阻力曲线可参见图3A图；
图2B为一种改进的填充方式，在分子筛吸附罐内沿气流方向使用粒径逐渐变小的吸附剂颗粒进行填充；参见图4，各层之间使用分割件13进行分隔，防止不同层的颗粒相互迁移，所述分隔件13例如可以是格栅板或丝网等。图2B中各层填充厚度相同。图2B中由下向上设置四层不同粒径的分子筛填充层。采用图2B的填充方式，通过合理选择各层分子筛颗粒的粒径，例如由下至上各层分子筛粒径依次是6、4、2、1，可以使得整体床层阻力与图2A的填充方式相同，可参见图3B。但由于床层结构的变化，下层采用大粒径的吸附剂颗粒，其比表面积相对较低，氮吸附量相对较少；而上部采用小粒径吸附剂颗粒，其比表面积更大，氮吸附量更大。
经此改进，图2B中的填充方案，氮气在床层下部吸附量相交图2A的方案更小，且该处的床层阻力也较图2A中更小；因此，在经过床层下部时，图2B方案的压力损失小；在床层上部，图2B方案中的氮吸附量较图2A更大，床层阻力也更大。而由于到达床层上部前，图2B方案中气流的压力损失更小，因此图2B填充方案在氮吸附主要发生区域，及床层上部处，气流仍然保有较大的压力；从而使得床层整体的氮吸附量大于图2A的填充方式。
图2C为进一步的改进，其采用与图2B中相同粒径的四层分子筛颗粒填充吸附罐；区别在由下至上各吸附层的填充高度逐渐减小。该填充方式可显著降低吸附罐的整体床层阻力，参见图3C。但由于大比表面积的小粒径分子筛颗粒填充高度的减少，床层整体的氮吸附量低于图2B中的填充方式。
实际运行时可根据具体情况选择图2B或图2C的填充方式，以满足提高床层吸附量和/ 或降低床层压降的不同需求。
实施例3
实施例2中通过设置不同粒径的分子筛填充层改善了床层阻力的分布和氮吸附量的分布，使得吸附罐的上部保有更高的气流压力；同时在压力相对低(指相比于罐底部，而非相比于图2A中的相应位置)的罐上部配置吸附量更大(指单位体积分子筛颗粒)的小粒径分子筛从而提高了吸附罐的整体氮吸附能力。
但由于小粒径分子筛填充层的床层阻力更大，且其位于床层顶部，会导致逆放过程的难度增大。对此本实施例提供如下解决方案。
参见图5-6，在吸附罐内部纵向设置贯穿分子筛床层的若干逆放支管14；所述若干逆放支管14的底部通过连接管15连接于汇流管16；所述汇流管16穿出吸附罐的底部。参见图 1，其中左罐1的汇流管16通过左逆放辅助阀V5连通逆放管9；右罐2的汇流管16通过右逆放辅助阀V6连通逆放管9。
参见图7，其中每一根逆放支管14由若干段拼接组成，例如由上至下的第一段141、第二段142、第三段143和第四段144。其中，各段分别对应于吸附罐内的不同填充层。
参见图8，所述逆放支管14的相邻两段，例如第二段142和第三段143之间通过连接部145密封连接；各段的侧壁上，除连接部145对应的连接壁149外均设有透气孔148；所述通气孔148允许在逆放过程中的逆放气通过，但禁止对应填充层的分子筛颗粒通过。
因为逆放支管14中未填充分子筛颗粒，因此为防止在吸附过程中，气流从逆放支管14 中窜流(指气流绕开床层而直接从逆放支管中向上流动)，在逆放支管14各段的连接处设置仅能向下开启的单向阀组件，以允许在逆放过程中开启通路，向下排出逆放气，而在吸附时封闭通路，防止气体窜流。所述的单向阀组件包括固定在逆放支管14内部的挡环146和位于挡环下方的阀板147。
本实施例中，逆放支管14纵向设置在床层中，在逆放过程开始时，能够迅速开启逆放通路，逆放气无需克服床层阻力来穿越整个床层，因而逆放速度更高，逆放过程中，可同时开启逆放阀和逆放辅助阀，床层内的逆放气主要经逆放辅助阀排出；剩余气体则可经逆放阀排出，从而可以实现快速、充分的逆放过程，而该充分的逆放过程则可以显著减少对吹扫再生气体的需求。
实施例4
提供一种基于上述制氧机的制氧方法，包括如下步骤：
(1)空压机3通过空气管5向原料气罐4内供给空气；左进气阀V1、左回流阀V8开启，其他阀门关闭；空气通过左原料气管61从进气口17进入左罐1；左罐1内的分子筛吸附剂吸附气流中的氮气；氧气气流从左罐1的排气口18排出；开启回流氧压缩机11，氧气气流经氧回流管10进入原料气罐4内与空气混合成为高含氧原料气；待原料气中的氧含量达到预定值后，开启左排气阀V10，向外供给氧气，同时氧气持续回流；
(2)待左罐1吸附饱和后，切换阀门开启方式，左回流阀V8关闭；右进气阀V2、均压阀V7开启，左罐1内的高压高含氧残留气体向右罐2内均压；
(3)均压阀V7关闭，右回流阀V9和右排气阀V11开启；右罐2开始利用高含氧原料气制氧；
(4)左逆放阀V3、左逆放辅助阀V5开启，左罐1内吸附的氮气经进气口17和逆放支管14迅速排出；
(5)左罐1逆放完全后，即不再有气体经逆放管9排出，关闭左逆放辅助阀V5；开启均压阀V7，利用右罐2顶部生成的氧气气流对左罐1内的吸附剂床层进行吹扫再生，从逆放管9中排出的再生气经检测合格后关闭均压阀V7，左罐1再生完成。
(6)重复以上吸附、均压、逆放、再生步骤，持续制氧。
以上仅是对本发明的构思的最佳实施方式举例，其不应当被理解为是对本发明所有可行实施方式的限制，本领域的普通技术人员在不经过创造性劳动的情况下常规手段的简单替换等方式得当的技术方案也属于本发的可行范畴。本发明的保护范围以权利要求书的限定为准。

Claims (10)

1.一种变压吸附制氧机，包括两个填充有分子筛吸附剂的吸附罐，分别为左罐(1)和右罐(2)；所述分子筛吸附剂能吸附空气中的氮气；还包括空压机(3)、原料气罐(4)；所述空压机(3)的出口通过空气管(5)连接原料气罐(4)；其特征在于：所述原料气罐(4)分别通过左原料气管(61)和右原料气管(62)连接左罐(1)和右罐(2)底部的进气口(17)；所述左原料气管(61)和右原料气管(62)上分别布置有进气左阀(V1)和进气右阀(V2)；所述左罐(1)和右罐(2)顶部的排气口(18)分别通过左排气管(71)和右排气管(72)连接产品气管(8)；所述左排气管(71)和右排气管(72)上分别设置有左排气阀(V10)和右排气阀(V11)；所述左原料气管(61)上位于左进气阀(V1)的下游与左罐(1)的进气口(17)之间的某一位置通过带左逆放阀(V3)的管线连通逆放管(9)；所述右原料气管(61)上位于右进气阀(V2)的下游与右罐(2)的进气口(17)之间的某一位置通过带右逆放阀(V4)的管线连通逆放管(9)；所述左排气管(71)上位于左排气阀(V10)与左罐(1)的排气口(18)之间的某一位置与右排气管(72)上位于右排气阀(V11)与右罐(2)的排气口(18)之间的某一位置之间通过一带均压阀(V7)的均压管连通；还包括还包括氧回流管(10)和布置在其上的回流氧压缩机(11)。
2.如权利要求1所述的变压吸附制氧机，其特征在于：所述氧回流管(10)的下端连接原料气罐(4)；所述左排气管(71)上位于左排气阀(V10)的上游某处通过一带左回流阀(V8)的回流支管连接氧回流管(10)的上端；所述右排气管(72)上位于右排气阀(V11)的上游某处通过一带右回流阀(V9)的回流支管连接氧回流管(10)的上端。
3.如权利要求2所述的变压吸附制氧机，其特征在于：在分子筛吸附罐内沿气流方向使用粒径逐渐变小的吸附剂颗粒进行填充，具有不同粒径吸附剂的相邻填充层之间使用分隔件(13)分隔，所述分隔件(13)允许气流通过，但禁止不同粒径的吸附剂跨层迁移。
4.如权利要求3所述的变压吸附制氧机，其特征在于：各填充层的填充厚度相同。
5.如权利要求3所述的变压吸附制氧机，其特征在于：由下至上各填充层的填充后度逐渐减小。
6.如权利要求4或5所述的变压吸附制氧机，其特征在于：吸附罐内部纵向设有贯穿分子筛床层的若干逆放支管(14)；所述若干逆放支管(14)的底部通过连接管(15)连接于汇流管(16)；所述汇流管(16)穿出吸附罐的底部，并通过对应的逆放辅助阀连通逆放管(9)。
7.如权利要求6所述的变压吸附制氧机，其特征在于：每一根逆放支管(14)均由若干段拼接组成，且各段分别对应于吸附罐内的不同填充层。
8.如权利要求7所述的变压吸附制氧机，其特征在于：所述逆放支管(14)的相邻两段之间通过连接部(145)密封连接；各段的侧壁上，除连接部(145)对应的连接壁(149)外均设有透气孔(148)；所述通气孔(148)允许逆放气通过，但禁止对应填充层的分子筛颗粒通过。
9.如权利要求8所述的变压吸附制氧机，其特征在于：在逆放支管(14)各段的连接处设置仅能向下开启的单向阀组件，所述的单向阀组件包括固定在逆放支管(14)内部的挡环(146)和位于挡环下方的阀板(147)。
10.如权利要求9所述的变压吸附制氧机的制氧方法，其也在在于包括如下步骤：
(1)空压机(3)通过空气管(5)向原料气罐(4)内供给空气；左进气阀(V1)、左回流阀(V8)开启，其他阀门关闭；空气通过左原料气管(61)从进气口(17)进入左罐(1)；左罐(1)内的分子筛吸附剂吸附气流中的氮气；氧气气流从左罐(1)的排气口(18)排出；开启回流氧压缩机(11)，氧气气流经氧回流管(10)进入原料气罐(4)内与空气混合成为高含氧原料气；待原料气中的氧含量达到预定值后，开启左排气阀(V10)，向外供给氧气，同时氧气持续回流；
(2)左罐(1)吸附饱和后，切换阀门开启方式，左回流阀(V8)关闭；右进气阀(V2)、均压阀(V7)开启，左罐(1)内的高压高含氧残留气体向右罐(2)内均压；
(3)均压结束后，关闭均压阀(V7)，右回流阀(V9)和右排气阀(V11)开启；右罐(2)开始利用高含氧原料气制氧；
(4)左逆放阀(V3)、左逆放辅助阀(V5)开启，左罐(1)内吸附的氮气经进气口(17)和逆放支管(14)迅速排出；
(5)左罐(1)逆放完全后，关闭左逆放辅助阀(V5)；开启均压阀(V7)，利用右罐(2)顶部生成的氧气气流对左罐(1)内的吸附剂床层进行吹扫再生，从逆放管(9)中排出的再生气经检测合格后关闭均压阀(V7)，左罐(1)再生完成。
(6)重复以上吸附、均压、逆放、再生步骤，持续制氧。
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