氧气的的制取方式
医疗方面使用的气体种类繁多,与医用气体系统密切相关的常用医用气体主要有医用氧、富氧空气、医用真空、医用空气(包括医疗空气、器械空气、牙科空气、医用合成空气)、氧化亚、二氧化碳和氮气。下面简要介绍这几种气体的制取方式。
一、氧气的制取
氧气的制取方式较多,此处仅介绍深冷空分法制氧、变压吸附法制氧和膜分离法制氧三种方式,其他制氧方式可参考相关专著。
(一)深冷空分法制氧
对于医院,医用氧的供应有两种方式,一种是瓶装医用氧,另一种是液氧。瓶装医用氧和液氧一般都是由专门的生产厂家采用深冷空分法制取,以气态或液态方式储存包装,用专门的运输车辆运输至医院。
深冷空分法制氧是根据空气混合物中氧(沸点-183℃)、氮(沸点-196℃)的沸点不同,运用液化和精馏将氧氮分离,获得氧的方法。
深冷空分法制氧工艺中,从原料空气到制取氧产品一般需经过空气过滤、压缩、预冷、纯化、增压、膨胀、精馏、产品储存等基本过程。自从1902年德国的林德教授发明高压节流循环制冷工艺技术以来,单级精馏塔分离空气制氧至今已经有百余年的历史。
目前我国生产的空分设备的形式、种类繁多,有生产气态氧、氮的装置,也有生产液态氧、氮的装置,但就基本流程而言,主要有四种,即高压、中压、高低压和全低压流程。我国空分设备的生产规模也已经从早期只能生产20m/h(氧)的制氧机,发展到现在具有生产20000 m/h、30000 m/h、60000 mh(氧)的特大型空分设备的能力。
深冷空分法制氧是一种传统的制氧方法,其设备装置庞大、结构复杂、设备投资和管理费用也较大,一般用于专业的制氧厂。深冷空分法制取氧气的产品有气态氧和液态氧。气态氧通过充灌台充入钢瓶,液态氧用低温液体贮罐贮存,液氧可以直接用槽车送至用户,给用户的低温液体贮罐灌装,液氧也可用小型移动容器充装,如焊接绝热气瓶。
医用氧的制取应符合相关法规规定,迄今为止,我国医用氧大部分均由深冷空分制取。
(二)变压吸附法制氧
在医院,通常采用医用分子筛制氧设备制取富氧空气,它是以空气为原料,以分子筛为吸附剂,用变压吸附法制取的氧气浓度为90%~ 96%的气体(富氧空气),主要用于医疗保健目的。
变压吸附法是利用分子筛吸附剂对空气中氧、氮组分选择性吸附而使空气分离获得氧气的方法(或简称PSA)。沸石分子筛是变压吸附制氧中至关重要的吸附剂,是一种以沸石为主要原料并经过特殊加工而成、具有均匀微孔和特殊性质的晶体结构,其孔径与流体分子直径相当,是一种半永久性吸附剂。分子筛对氧和氮的分离作用主要基于这两种极性不同的气体在分子筛表面上的扩散速率不同,从而构成独特的吸附选择性,较小极性的气体分子(O)扩散较慢,较少进入分子筛固相(微孔),较大极性的气体分子(N,)扩散较快,进入分子筛固相较多,这样在气相中可得到氧的富集成分。沸石分子筛具有加压时对氮的吸附容量增加、减压时对氮的吸附容量减少的特性。
当空气流过装有分子筛的吸附塔时,分子筛优先吸附氮气组分,未被吸附的氧气通过分子筛富集输出,被吸附的氮气通过减压排放进行解吸。变压吸附制氧工艺( PSA )是一个经吸附、均压、解吸等若干阶段循环的过程,按吸附时操作压力可细分为PSA、VPSA, VSA三种工艺,三种工艺的主要区别见表2-1。
现有医用分子筛制氧设备主要采用PSA、VPSA两种工艺。医用分子筛制氧设备通常设置两个或四个吸附床(或称吸附塔)交替进行吸附、均压、解吸循环,连续输出氧气。
(三)膜分离法制氧
近年来随着科学技术的发展,膜分离技术在制取富氧空气中也逐步得到了应用。该技术是在一定压力下,使空气穿过具有富集氧气功能的薄膜,通过多级分离实现氧气和氮气的物理分离,从而得到氧气。气体透过中空聚合物薄膜是一个复杂的过程,其透过机制一般是气体分子首先被吸附到膜的表面溶解,然后在膜中扩散,最后从膜的另一侧解吸出来。该方法制取的氧气浓度不高,早期主要用于富氧燃烧技术,如在大型锅炉、工业用的中型锅炉、取暖用的锅炉、船舶动力装置的锅炉等利用膜分离法制取的富氧空气代替普通空气助燃。
随着技术的发展,为了提高含氧量,采用变压吸附制氧和膜分离联合制取氧气,氧含量可提高到99.5%,该技术先用变压吸附工艺生产富氧空气作为原料,再以一般有机膜分离方法或连续薄膜塔(CMC)的方法提纯氧气。但是,这种分离系统额外的压缩动力使得能源消耗非常高,CMC循环要求的特殊薄膜分离器也非常昂贵,制约了其广泛应用。
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