RU2077370C1

RU2077370C1 - Oxygen concentrator

Info

Publication number: RU2077370C1
Application number: RU95112420/25A
Authority: RU
Inventors: М.Я. Леонтьев; О.Т. Чижевский; И.А. Юриков
Original assignee: Государственное научно-производственное предприятие "Прибор"
Priority date: 1995-07-19
Filing date: 1995-07-19
Publication date: 1997-04-20

Abstract

FIELD: devices used for production of oxygen-enriched gas from atmospheric air by short-cycle without external heat supply adsorption applicable in medical and microbiological industries and therapy. SUBSTANCE: oxygen concentrator has two parallel adsorbers filled with zeolite synthetic granulate and connected with supply compressor and receiver at the outlet. Adsorbers are provided with spring-loaded diaphragms fixing the position of granulate and forming a receiver at the inlet. Adsorber pipe unions are installed on heat-resistant spacers that simplifies regeneration of the working material of adsorbents. EFFECT: higher efficiency. 3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к устройствам получения кислородообогащенного газа из атмосферного воздуха короткоцикловой безнагревной адсорбцией, используемым в медицинской и микробиологической промышленности, во всех отраслях, где применяется баллонный кислород: газосварка, экология, авиационные и морские устройства. The present invention relates to devices for producing oxygen-enriched gas from atmospheric air by short-cycle non-heating adsorption, used in the medical and microbiological industry, in all industries where balloon oxygen is used: gas welding, ecology, aviation and marine devices.

Из патентной литературы известны устройства для безнагревного разделения атмосферного воздуха методом адсорбции на две фракции, азотообогащенную и кислороднообогащенную, на синтетических цеолитах, помещенных в адсорберах, связанных с безмасляными компрессорами, ресиверами и управляемых блоком переключения клапанов [1]
Недостатком указанных устройств является большое вспомогательное время, сложность конструкции и управления, повышенная занимаемая площадь дополнительным оборудованием для активного снижения давления посредством специальных устройств осушивания, компрессоров, ресиверов, которые используются в последовательной схеме подключения продувного и продуцирующего адсорберов, обеспечивающих высокую производительность работы.From the patent literature, devices are known for a non-heating separation of atmospheric air by adsorption into two fractions, nitrogen-enriched and oxygen-enriched, on synthetic zeolites placed in adsorbers associated with oil-free compressors, receivers and controlled by a valve switching unit [1]
The disadvantage of these devices is the large auxiliary time, the complexity of the design and control, the increased occupied area by additional equipment for active pressure reduction by means of special drying devices, compressors, receivers, which are used in a serial connection circuit for the blowing and producing adsorbers that provide high performance.

Указанный недостаток устранен в изобретении с параллельной схемой подсоединения адсорберов к нагнетающему компрессору и общему выходному ресиверу, работающих в циклической схеме переключения режимов сорбции - десорбции, при котором вспомогательное время продувки перекрывается временем продуцирования обогащенного кислородом газа, описанном в [2] Известный концентратор кислорода содержит два параллельных адсорбера, внутри которых выполнены прослойки насыпного гранулята: осушителя (силикагель) и молекулярного сита (цеолит), нагнетающий компрессор с входным фильтром, вакуумный насос репродуцирования, блок управления, общий ресивер с расходной аппаратурой на выходе. This drawback is eliminated in the invention with a parallel circuit for connecting adsorbers to a discharge compressor and a common output receiver operating in a cyclic circuit for switching sorption-desorption modes, in which the auxiliary purge time is overlapped by the production time of the oxygen-enriched gas described in [2]. The known oxygen concentrator contains two parallel adsorber, inside of which are made layers of bulk granulate: desiccant (silica gel) and molecular sieve (zeolite), forcing th compressor with an input filter, a vacuum pump reproduction control unit, a common receiver apparatus with the flow at the outlet.

Недостатками известного устройства, выбранного авторами за прототип по технической сущности и большинству совпадающих признаков, являются следующие. Невысокая функциональная надежность по сохранению основных технических характеристик сорбционного гранулированного материала адсорберов от механических повреждений в динамике работы и транспортировки. Сложность регенерации цеолита и силикагеля, требующая разборки адсорберов с последующей подготовкой к работе. Ограниченная область использования промышленной установки в лечебных целях из-за высокого уровня шума при компрессии воздуха. The disadvantages of the known device selected by the authors for the prototype on the technical nature and most of the matching features are the following. Low functional reliability to maintain the basic technical characteristics of the sorption granular material of adsorbers from mechanical damage in the dynamics of operation and transportation. The complexity of the regeneration of zeolite and silica gel, requiring the dismantling of adsorbers with subsequent preparation for work. Limited use of the industrial plant for medicinal purposes due to the high noise level during air compression.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является устранение отмеченных недостатков и, как следствие, создание мобильной установки со стабильными основными техническими характеристиками, которая имеет более широкие технологические возможности использования. The problem to which the present invention is directed is to eliminate the noted drawbacks and, as a result, create a mobile installation with stable basic technical characteristics, which has wider technological possibilities for use.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном концентраторе кислорода посредством разделения атмосферного воздуха короткоцикловой безнагревной адсорбцией на синтетических цеолитах, содержащем соединенные трубопроводами компрессор с входным фильтром, два параллельных адсорбера и ресивер, блок управления электро-пневмоавтоматикой, помещенные в корпус, согласно изобретению, соединительные штуцера адсорберов, оснащенных подпружиненной диафрагмой, смонтированы на термостойких, преимущественно тефлоновых, прокладках, а входной фильтр компрессора, помещенного в отсеке корпуса со звукопоглощающим покрытием, выполнен в виде прокладок, например из синтепона, разделенных шайбами с эксцентрическими отверстиями, последовательно смещенными относительно оси и опирающимися на ограничительные кольца. The required technical result is achieved by the fact that in a known oxygen concentrator, by separating atmospheric air by short-cycle adsorption on synthetic zeolites, containing a compressor connected with pipelines with an inlet filter, two parallel adsorbers and a receiver, an electro-pneumatic control unit placed in a housing according to the invention, connecting the nozzles of adsorbers equipped with a spring-loaded diaphragm are mounted on heat-resistant, mainly Teflon, gaskets ah, the compressor and the input filter placed in the housing compartment with the sound-absorbing coating made in the form of gaskets, e.g. syntepon separated washers with eccentric apertures, successively offset relative to the axis and bearing on the stop ring.

Отличительные признаки обеспечивают повышение функциональной надежности устройства, т.е. гарантированный уровень основных технических характеристик и расширение технологических возможностей использования. Distinctive features provide increased functional reliability of the device, i.e. guaranteed level of basic technical characteristics and expansion of technological possibilities of use.

Подсоединение параллельных адсорберов через тефлоновые прокладки штуцерами с циклической сменой операций, позволяет повысить производительность за счет взаимного совмещения во времени сорбции десорбции, т.к. подготовка и регенерация цеолита (рабочего материала) термообработкой осуществляется внутри сменного адсорбера без остановки технологического процесса. При этом исключается разборка адсорбера и контакт гранулята с атмосферой за счет сохранения эластичности прокладки штуцеров из синтетического полимера при нагреве до температуры 300 350^oС, что снижает себестоимость работ, позволяет исключить прослойку силикагеля, упрощает конструкцию и схему управления.The connection of parallel adsorbers through Teflon gaskets with fittings with a cyclic change of operations allows increasing productivity due to the mutual combination of desorption sorption in time, since preparation and regeneration of zeolite (working material) by heat treatment is carried out inside a removable adsorber without stopping the process. This eliminates the disassembly of the adsorber and the contact of the granulate with the atmosphere by maintaining the elasticity of the lining of the fittings made of synthetic polymer when heated to a temperature of 300 350 ^° C, which reduces the cost of work, eliminates the layer of silica gel, simplifies the design and control scheme.

Подвижная в осевом направлении подпружиненная диафрагма в адсорберах, во-первых, является упругим фиксатором адсорбционного слоя, что повышает срок его службы и обеспечивает заданное качество продуцирования кислородообогащенного газа, а во-вторых, формирует свободный объем адсорбера под диафрагмой, который служит ресивером для скапливания нагнетаемого воздуха и сглаживания колебаний неравномерной его подачи компрессором. Таким образом, получен технический результат, не присущий элементам новой совокупности признаков в их разобщенности. The axially movable spring-loaded diaphragm in the adsorbers, firstly, is an elastic retainer of the adsorption layer, which increases its service life and ensures the specified quality of oxygen-enriched gas production, and secondly, forms the free volume of the adsorber under the diaphragm, which serves as a receiver for accumulating the injected air and smoothing out fluctuations in its non-uniform supply by the compressor. Thus, a technical result is obtained that is not inherent in the elements of a new set of features in their disunity.

Конструктивное выполнение входного фильтра компрессора обеспечивает новое качество за счет выполнения дополнительных функций по гашению сопутствующих звуковых колебаний и, следовательно, позволяет снизить уровень шума показатель комфортности, необходимое социальное условие лечебной терапии, где используется генерируемый кислород. Этому же служит размещение компрессора в отсеке корпуса, выполненного из композитного шумопоглощающего материала. The design of the compressor inlet filter provides a new quality due to the additional functions of damping the accompanying sound vibrations and, therefore, reduces the noise level as a comfort indicator, a necessary social condition for therapeutic therapy where the generated oxygen is used. The placement of the compressor in the housing compartment made of composite sound-absorbing material serves the same purpose.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены: на фиг. 1 - схематично концентратор, на фиг. 2 адсорбер в разрезе, на фиг. 3 входной фильтр. The invention is illustrated by drawings, which depict: in FIG. 1 is a schematic illustration of a hub; FIG. 2 is an adsorber in section; FIG. 3 input filter.

Концентратор (фиг. 1) кислорода включает два адсорбера 1 и 2, соединенных параллельно через электропневмораспределители 3, 4, 5, 6 на входе и 7, 8, 9, дроссель 10, соответственно на выходе. Конструкция адсорберов 1, 2 идентична и представляет из себя цилиндрическую емкость объемом 6, 5 литров, заполненную цеолитом марки NaX с размером гранул 3.4 мм. Слой цеолита в адсорберах 1 и 2 нагружен пружиной 11 (фиг. 2) через перфорированную диафрагму 12, закрытую сеткой 13. Соединительные штуцера 14 адсорберов 1 и 2 установлены на политетрафторэтиленовых прокладках 15 (фторопласт 4, фторлон 4), торговое название тефлон, которые смонтированы в замкнутом объеме крепежного узла, практически исключающего термические изменения геометрии при эксплуатации. Синтетический полимерный материал прокладок 15 представляет собой твердое вещество (не набухает, не горит, эластичен). Температура разложения тефлона примерно 415^oС. Это позволяет периодически проводить технологическую регенерацию цеолита без разборки адсорберов термообработкой при нагреве до 300.350^oС без потери служебных характеристик материала прокладок 15.The oxygen concentrator (Fig. 1) includes two adsorbers 1 and 2, connected in parallel through electrodistributors 3, 4, 5, 6 at the input and 7, 8, 9, and the throttle 10, respectively, at the output. The design of adsorbers 1, 2 is identical and consists of a cylindrical container with a volume of 6.5 liters, filled with zeolite grade NaX with a grain size of 3.4 mm. The zeolite layer in adsorbers 1 and 2 is loaded with a spring 11 (Fig. 2) through a perforated diaphragm 12 closed by a mesh 13. The connecting fittings 14 of the adsorbers 1 and 2 are mounted on polytetrafluoroethylene gaskets 15 (fluoroplast 4, fluorlon 4), the trade name is Teflon, which are mounted in the closed volume of the mounting unit, virtually eliminating thermal changes in geometry during operation. The synthetic polymeric material of the pads 15 is a solid (does not swell, does not burn, is elastic). The decomposition temperature of Teflon is about 415 ^o C. This allows you to periodically process the regeneration of the zeolite without disassembling the adsorbers by heat treatment when heated to 300.350 ^o With no loss of performance characteristics of the gasket material 15.

Атмосферный воздух в адсорберы 1, 2 подается безмасляным компрессором 16 (фиг. 1), установленным в отсеке корпуса 17, выполненном из композитного акустического материала: древесноволокнистой плиты 18, покрытой стеклотканевой прокладкой 19, материала с пористой структурой и наличием большого числа открытых сообщающихся между собой пор. Atmospheric air is supplied to the adsorbers 1, 2 by an oil-free compressor 16 (Fig. 1) installed in the compartment of the housing 17 made of composite acoustic material: a fiberboard 18 covered with a fiberglass gasket 19, a material with a porous structure and the presence of a large number of open interconnected since

На входном трубопроводе компрессора 16 установлен фильтр 20, в корпусе 21 (фиг. 3) которого смонтирован набор калиброванных прокладок 22 из синтепона, закрепленных в мерных кольцах 23 и разделенных шайбами 24 с эксцентрическими отверстиями 25. Корпус 21 закрыт крышкой 26 с сеткой 27. Шайбы 24 установлены с последовательным смещением вокруг оси отверстий 25 таким образом, что образуется извилистый канал, лабиринт для прохода газа, обеспечивающий снижение уровня шума. Мерные кольца 24 ограничивают степень сжатия синтепоновых прокладок до заданной плотности материала, чтобы не повысить гидравлическое сопротивление фильтра 27. A filter 20 is installed on the inlet pipe of the compressor 16, in the housing 21 (Fig. 3) which is mounted a set of calibrated paddings 22 made of synthetic winterizer, fixed in the measuring rings 23 and separated by washers 24 with eccentric holes 25. The housing 21 is closed by a cover 26 with a mesh 27. Washers 24 are installed with sequential displacement around the axis of the holes 25 so that a winding channel is formed, a labyrinth for the passage of gas, which ensures a decrease in noise level. Measuring rings 24 limit the compression ratio of the padding pad to the specified density of the material so as not to increase the hydraulic resistance of the filter 27.

Выходы адсорберов 1, 2 через распределители 8 и 9 соответственно связаны с ресивером 28 (фиг. 1) и далее последовательно через ротаметр 29, фильтр 30 и вентиль 31 к потребителю. The outputs of the adsorbers 1, 2 through the distributors 8 and 9, respectively, are connected to the receiver 28 (Fig. 1) and then sequentially through the rotameter 29, the filter 30 and the valve 31 to the consumer.

Выход группы распределителей 3 6 сообщаются с атмосферой. Система оснащена предохранительным клапаном 32. The output of the group of valves 3 6 communicate with the atmosphere. The system is equipped with a safety valve 32.

Гранулят в адсорберы 1, 2 насыпается при отжатой технологическим винтом диафрагме 12, после чего упругостью пружины 11 диафрагма 12 возвращается в исходное положение, уплотняя гранулы и формируя пористый адсорбционный слой, зафиксированное пространственное положение которого сохраняется во время эксплуатации при продувке и транспортировке. Это позволяет сохранить неизменной адсорбционную способность слоя, исключив перетирание и дробление гранул цеолита. The granules are poured into the adsorbers 1, 2 with the diaphragm 12 pressed out by the process screw, after which the spring 11 returns to its original position by compressing the granules and forming a porous adsorption layer whose fixed spatial position is maintained during operation during blowing and transportation. This allows you to keep the adsorption capacity of the layer unchanged, eliminating the grinding and crushing of zeolite granules.

Работает устройство следующим образом. В исходном положении открыты электропневмораспределители 3, 7, 8 и 5, адсорбер 2 сообщается с атмосферой, а электропневмораспределители 4, 6 и 9 закрыты. The device operates as follows. In the initial position, the electric valves 3, 7, 8 and 5 are open, the adsorber 2 communicates with the atmosphere, and the electric valves 4, 6 and 9 are closed.

При нагнетании компрессором 16 воздуха через распределитель 3 до давления 3 х 10⁵ Па в адсорбере 1 происходит сорбция азота цеолитом и на выходе получается кислородообогащенная до 95% газовая смесь, которая поступает через распределитель 8 в ресивер 28, где накапливается и через ротаметр 29, фильтр 30 и вентиль 31 подается потребителю.When compressor 16 injects air through a distributor 3 to a pressure of 3 × 10 ⁵ Pa, adsorber 1 adsorbs nitrogen with a zeolite and, at the output, an oxygen-enriched gas mixture of up to 95% is obtained, which enters through a distributor 8 into a receiver 28, where the filter is also accumulated through a rotameter 29 30 and valve 31 is supplied to the consumer.

В объеме адсорбера под диафрагмой 12 происходит аккумулирование воздуха и сглаживание колебаний давления от неравномерной пульсирующей его подачи для дальнейшего равномерного распределения расхода через прослойку цеолита, гранулы которого больше перфораций диафрагмы 12. In the volume of the adsorber under the diaphragm 12, air is accumulated and pressure fluctuations are smoothed out from the non-uniform pulsating supply for further uniform distribution of the flow through the zeolite interlayer, the granules of which are larger than the perforations of the diaphragm 12.

Часть газа через распределитель 7 и дроссель 10 подается в адсорбер 2 для интенсификации процесса десорбции, которая происходит при атмосферном давлении азотообогащенная смесь выбрасывается в атмосферу. Part of the gas through the distributor 7 and the throttle 10 is fed into the adsorber 2 to intensify the desorption process, which occurs at atmospheric pressure, the nitrogen-rich mixture is released into the atmosphere.

Через заданное время, необходимое для полной регенерации цеолита в адсорбере 2, структурная схема устройства переключается на противоположную: группа распределителей 3, 5, 8 закрывается, а распределители 4, 6 и 9 открываются. При этом описанные процессы повторяются: в адсорбере 2 продуцируется кислородообогащенный газ (15.20 л/мин), а в адсорбере 1 при атмосферном давлении и кислородной продувке десорбция азота, который через распределитель 4 сбрасывается в атмосферу. After a predetermined time necessary for complete regeneration of the zeolite in adsorber 2, the structural diagram of the device switches to the opposite: the group of valves 3, 5, 8 closes, and the valves 4, 6 and 9 open. Moreover, the described processes are repeated: oxygen-enriched gas is produced in adsorber 2 (15.20 l / min), and nitrogen desorption in adsorber 1 at atmospheric pressure and oxygen purge, which is discharged through the distributor 4 into the atmosphere.

Управление последовательностью переключения электропневмораспределителей и времени их срабатывания осуществляется по заданной программе электронным блоком управления (на чертеже не показан). The sequence of switching the electric valve and the time of their operation is controlled according to a given program by the electronic control unit (not shown in the drawing).

Далее цикл повторяется. Next, the cycle repeats.

Установка компактна, удобна в эксплуатации, мобильна и комфортна для использования при длительной кислородотерапии и в комплексе с наркозо-дыхательной аппаратурой, в том числе в комплекте подразделений МЧС. The installation is compact, convenient in operation, mobile and comfortable for use during prolonged oxygen therapy and in combination with narcotic and respiratory equipment, including in the set of units of the Ministry of Emergencies.

Рабочие чертежи опробованной опытной установки предложенной конструкции находятся в подготовке производства для организации серийного выпуска по договорам поставок и контрактам в текущем году. The working drawings of the tested experimental installation of the proposed design are in preparation for production for the organization of serial production under supply contracts and contracts this year.

Claims

1 Концентратор кислорода посредством разделения атмосферного воздуха короткоцикловой безнагревной адсорбцией на синтетических цеолитах, содержащий соединенные трубопроводами компрессор с входным фильтром, два параллельных адсорбера и ресивер, блок управления электро-пневмоавтоматикой, помещенные в корпус, отличающийся тем, что соединительные штуцера адсорбентов, оснащенных подпружиненной диафрагмой, смонтированы на термостойких, преимущественно тефлоновых, прокладках, а второй фильтр компрессора, помещенного в отсеке корпуса со звукопоглощающим покрытием, выполнен в виде прокладок, например, из синтепона, разделенных шайбами с эксцентрическими отверстиями, последовательно смещенными относительно оси и опирающимися на ограничительные кольца.1 Oxygen concentrator by dividing atmospheric air by short-cycle adsorption on synthetic zeolites, containing a compressor connected with pipelines with an inlet filter, two parallel adsorbers and a receiver, an electro-pneumatic control unit placed in a housing, characterized in that the connecting nozzles of adsorbents equipped with a spring-loaded diaphragm, mounted on heat-resistant, mainly Teflon, gaskets, and a second compressor filter placed in the housing compartment with vukopogloschayuschim coating is formed as a gasket, e.g., of syntepon separated washers with eccentric apertures, successively offset relative to the axis and bearing on the stop ring.