淺談醫(yī)用制氧機(jī)設(shè)計(jì)原理

陸曄

摘 要： 醫(yī)學(xué)研究表明，由于環(huán)境污染，生活節(jié)奏加快，半數(shù)以上的人身體經(jīng)常處于缺氧狀態(tài)。而氧是身體中的重要元素，營養(yǎng)物質(zhì)必須通過氧化作用，才能產(chǎn)生和釋放出能量，同時(shí)人體的代謝過程也必須有氧的參與。吸氧療法是醫(yī)學(xué)上一種重要的治療手段，堅(jiān)持進(jìn)行氧療，對(duì)于身體的徹底康復(fù)起著很重要的作用。本文在介紹醫(yī)用制氧機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及其質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上，指出了制氧機(jī)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：制氧機(jī)；分子篩；變壓吸附；質(zhì)量控制

1 分子篩變壓吸附原理

在終端個(gè)體的吸氧療法中，以往的供氧裝置主要有氧氣袋、小型氧氣瓶等。這類裝置需要不斷充氧，且氧氣容量有限，既不方便使用，也不能保障長時(shí)間供氧?？紤]到分子篩變壓吸附（PSA）方法制氧不但濃度高，而且不產(chǎn)生有害氣體，因此，本文主要介紹這種物理方法。PSA主要由空氣凈化系統(tǒng)、氧氮分離系統(tǒng)、氧氣緩沖、檢測系統(tǒng)等組成。其基工作過程為：空氣壓縮機(jī)輸出的壓縮空氣經(jīng)冷卻后空氣中的水汽由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，經(jīng)分水過濾器過濾，活性炭過濾器除油后得到干燥的壓縮空氣，然后干燥的壓縮空氣進(jìn)入氧氮分離系統(tǒng)，其中帶極性的氮分子被沸石分子篩優(yōu)先吸附，而氧分子則通過系統(tǒng)閥門輸出進(jìn)入緩沖罐，最后由流量檢測單元結(jié)合氧氣純度來控制氧氣的輸出。

2 變壓吸附制氧機(jī)結(jié)構(gòu)

變壓吸附制氧機(jī)的工藝流程如下圖所示，空氣經(jīng)過濾后進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮，壓縮后的高壓空氣經(jīng)冷卻后進(jìn)入吸附塔進(jìn)行吸附分離，分離得到的部分氧氣經(jīng)單向閥進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，由減壓閥減壓后再經(jīng)流量計(jì)、濕化瓶流出供用戶使用；另一部分氧氣對(duì)處于解吸狀態(tài)的吸附器進(jìn)行反吹清洗，解吸的氮?dú)饨?jīng)消聲器排出。

根據(jù)制氧過程中各部件作用的不同，可以將變壓吸附制氧機(jī)劃分為氣源系統(tǒng)，分離系統(tǒng)、解吸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、產(chǎn)品系統(tǒng)等功能模塊。其中，氣源系統(tǒng)為制氧過程提供潔凈、高壓的非高溫氣體，分離系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氧氣與氮?dú)獾奈椒蛛x，解吸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)廢氣的排放及吸附床的清洗解吸，控制系統(tǒng)保證制氧系統(tǒng)正常、高效運(yùn)行。制氧系統(tǒng)保證氧氣以一定的壓力和流量穩(wěn)定輸出，并將氧氣濕化，以適宜用戶呼吸使用。

3 變壓吸附制氧機(jī)的特點(diǎn)

PSA 制氧機(jī)制取氧氣是在常溫低壓下進(jìn)行的，設(shè)備具有工藝流程簡單，投資少，能耗低，使用安全可靠，操作簡單的特性，同時(shí)還有保養(yǎng)和維修簡便易行等優(yōu)點(diǎn)。由于設(shè)備簡單，體積小巧，只需常規(guī)電力就能工作制氧，適合在氧氣不可缺少但需要量又不是特別大的醫(yī)療單位就地制取氧氣，此外，PSA 法制氧工藝具有裝置緊湊、投資低、自動(dòng)化程度高等技術(shù)優(yōu)勢。

4 制氧機(jī)的質(zhì)量控制

根據(jù)制氧機(jī)的功能特點(diǎn)，通過壓力、流量、氧氣濃度三項(xiàng)參數(shù)可以比較客觀的表現(xiàn)一個(gè)設(shè)備的質(zhì)量狀況，只要其中之一發(fā)生明顯變化，將影響設(shè)備的工作狀態(tài)，所以通常將這三項(xiàng)敏感度高的參數(shù)，作為檢測制氧機(jī)性能的指標(biāo)， 其中的氧氣流量是制氧裝置的一個(gè)重要參數(shù)，它反應(yīng)了制氧裝置的制氧能力，目前大部分制氧機(jī)最大輸出流量為5L/min，個(gè)別機(jī)型可以達(dá)到6 L/min。 制氧裝置單位時(shí)間內(nèi)制取的成品氧氣越多越好，但氧氣流量提高的同時(shí)，是否能夠保證氧濃度的要求是需要重視的問題。吸附塔中分子篩的裝入量是一定的，氧氣量越少，在相同的時(shí)間內(nèi)，進(jìn)入吸附塔內(nèi)的原料氣量與流出吸附塔的產(chǎn)品氣量的差值越大，吸附塔內(nèi)的壓力升高就越快，這對(duì)于提高吸附塔中分子篩的吸附容量是非常有利的。另外，吸附塔內(nèi)壓力高，吸附塔在解吸時(shí)，吸附塔內(nèi)與外界的壓差相對(duì)來說較大，這對(duì)于吸附塔內(nèi)吸附組分的徹底解吸非常有利。因此，氧氣流量越小，對(duì)應(yīng)的氧氣純度越高。通過檢測比較容易發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)變化趨勢和傾向性問題，及時(shí)確定預(yù)防性維護(hù)維修的舉措和時(shí)機(jī)，適時(shí)進(jìn)行預(yù)防性維修或者維護(hù)，有利于大幅度減少故障發(fā)生，有效提高患者用氧安全系數(shù)，制氧機(jī)的質(zhì)量檢測屬于民生計(jì)量范疇。

5 變壓吸附制氧技術(shù)的發(fā)展方向

目前PSA分離空氣制氧技術(shù)主要向三個(gè)方向發(fā)展：

（1）具有更高氧氮分離系數(shù)高性能分子篩的研制。R .T .Yang等人合成的低硅鋁比的X型沸石分子篩，是目前用于PSA分離空氣制氧的最好的吸附劑，其氧氮分離系數(shù)可以達(dá)到6.0以上，而目前工業(yè)化生產(chǎn)的沸石分子篩的氧氮分離系數(shù)一般不超過4.0。

（2）改進(jìn)變壓吸附技術(shù)的工藝以制備高濃度氧氣。由于空氣中含有0.94%的氬氣，氬氣具有和氧氣分子非常接近的物理性質(zhì)，所以一般PSA技術(shù)得到氧氣的濃度最高為95%。

（3）大型化和微型化兩個(gè)方向發(fā)展。大型化發(fā)展主要是市場的需要以及降低能耗的要求所致。微型化發(fā)展主要為了滿足人們醫(yī)療保健和一些特殊場合的需要，要求其具有體積小、噪音小、移動(dòng)性好和可靠性高的特點(diǎn)，其產(chǎn)氣量一般在5L/min左右，氧氣濃度為93%左右，這種微型制氧裝置對(duì)能耗要求相對(duì)較低。

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