医用分子筛变压吸附制氧技术的探讨[ 录入者:admin | 时间:2008-11-14 11:58:34 || 浏览:122次]中国医学装备2006年11月第3卷第11期ChinaMedicalEquipment2006NovemberVol.3NO.11 1分子筛制氧设备的发展过程分子筛变压吸附PSA(PressureSwingAbsorption)气体分离和提纯技术是在20世纪60年代后,随着环境保护及污染治理的要求而迅速发展起来的技术,目前已经在钢铁生产,气体工业,电子工业,石油化工和医疗卫生等诸多行业得到广泛的应用.1962年美国联合碳化物公司(UCC)发现了分子筛对气体的选择性特性,并在实验设备上实现了对少数不同气体的分离;随即研制成功了世界上第一台制氢工业装置;随着分子筛材料与工艺的不断提升,70年代中期美国和德国首先将PSA技术应用于空气分离并在化工领域得到应用,到80年代中期化学工业的发展为分子筛的性能提高起到了关键作用,这使设备小型化成为可能,1985年美国的Praxair公司研制的第一台小型制氧机的问世标志着PSA技术小型化的开始,90年代初产品意义上的医用小型制氧机开始出现,美国材料实验学会(ASTM)于1993年颁布了医用小型制氧机标准规范(F1464-1993),国际标准组织于1996年发布了医用小型制氧机的安全性标准(ISO8359:1996).分子筛变压吸附气体分离和提纯技术是利用分子筛,依靠压力的变化来实现吸附和再生,其再生速度快,能耗低,属于节能型气体分离技术,特别符合在能源短缺的情况下其低品质资源的开发利用的世界潮流.分子筛变压吸附原理的制氧机仅仅利用空气就可以生产纯度在90-95%的氧气,并且其制氧机工艺流程简单,安全,投资少,能耗比较低,因此在中小规模的需要富氧的地方,如近年来各级医院的中心供氧系统的氧气气源愈来愈多的选用制氧机产氧,这类设备均采用分子筛变压吸附气体分离和提纯技术获取低成本的氧气.2分子筛变压吸附气体分离和提纯技术2.1分子筛技术医用分子筛变压吸附制氧技术的探讨冯念伦1,夏文龙2,孙铁军3(1.3.山东省立医院;2.山东省药品审评认证中心;济南250021)〔文章编号〕1672-8270(2006)11-39-03〔中图分类号〕R197〔文献标识码〕B【摘要】分子筛制氧机仅仅利用空气就可以生产纯度在90-95%的氧气,近年来各级医院的中心供氧系统愈来愈多的选用了分子筛制氧设备;这种制氧设备的核心技术是让大气通过分子筛利用变压吸附气体分离和提纯技术获取低成本的氧气.其制氧机工艺流程简单,安全,投资少,能耗比较低,符合低品质资源的开发利用的世界潮流.【关键词】分子筛;变压吸附;硅铝酸盐晶体;气体分离和提纯Todiscusstheoxygenmanufacturetechnologyaboutlivepressureswingabsorptionwithmedi calmolecularsieveAbstract:Themolecularsieveoxygengeneratormayproducethepurityin 90-95%oxygenmerelyusingtheair.Inrecentyears,centraloxygensupplysysteminmanyhosp italshasincreasinglyselectedthemolecularsieveoxygenequipment.Thecoretechnologyo fthiskindofoxygenequipmentistogainthelowcostoxygenbyletingtheatmospherethrought hemolecularsieveusingthelivepressureadsorptiongasseparationandthedepurationtech nology.Thetechnicalflowofthisoxygengeneratorissimple,safe,fewinvesting,thelowen ergyconsumptionandthisisthetrendtoconformthelowqualityresourcesdevelopmentandap plicationintheworld.Keywords:Molecularsieve;Pressureswingabsorption;Siliconalum inatecrystal;Gasseparationanddepuration分子筛(molecularsieve)是一类天然的或人工合成的,具有微孔型立方晶格的沸石型结晶硅铝酸盐.依据其晶体内部孔穴的大小而吸附或排斥不同物质的分子,因而被称为"分子筛".分子筛具有多孔的骨架结构,在结构中有许多孔径均匀的通道和排列整齐,内表面相当大的空穴.这些晶体只能允许直径比空穴孔径小的分子进入孔穴被吸附,否则,被排斥.从而可使大小不同的分子分开,起到筛选分子的作用.分子筛还根据不同物质分子的极性决定优先吸附的次序.一般地,极性强的分子更容易被吸附.分子筛其化学通式为Mx/n〔(AlO2)x (SiO2)y〕mH2O,式中M为化合价为n的金属离子,通常是Na+,K+,Ca2+等.根据硅铝酸根中SiO2/Al2O3的比值不同,分子筛可分为A型,X型,Y型和丝光沸石等几种.分子筛这类结晶的硅铝酸盐,由于它具有均一的孔径和极高的比表面积,所以具有许多优异的特点.(1)按分子的大小和形状不同的选择吸附作用,即只吸附那些小于分子筛孔径的分子.(2)对于小的极性分子和不饱和分子,具有选择吸附性能,极性越大,不饱和度越高,其选择吸附性越强.(3)具有强烈的吸水性.哪怕在较高的温度,较大的空速和含水量较低的情况下,仍有相当高的吸水容量.5A(钙A型)分子筛的孔径为5A,能吸附小于该孔径的任何分子,主要应用于正异构烃分离,变压吸附分离及水和二氧化碳的共吸附,基于5A分子筛的工业应用特点,5A分子筛选择吸附性高,吸附速度快,特别适用于变压吸附,可适应各种大小的制氧,制氢,制二氧化碳等气体变压吸附装置.其分子式:0.70CaO 0.30Na2O Al2O3 2.0SiO24.5H2O2.2吸附原理吸附是指:当两种相态不同的物质接触时,其中密度较低物质的分子在密度较高的物质表面被富集的现象和过程.一般说来具有吸附作用的物质是密度较高的多孔固体,如硅铝酸盐叫做吸附剂;而被吸附的物质是密度相对较小的气体或液体,叫做吸附质.吸附按其性质不同可以分成:化学吸附,活性吸附,毛细管吸附和物理吸附.分子筛制氧技术是采用的物理吸附:它是通过吸附剂与吸附质分子间的分子力进行吸附的.物理吸附的特点是:吸附过程没有化学反应,吸附过程进行的极快,参与吸附的各相物质间的平衡在瞬间即可完成,并且这种吸附是完全可逆的.2.3分子筛及吸附力分子筛变压吸附PSA装置所用的吸附剂都是5A(钙A型)分子筛,具有较大比表面积的硅铝酸盐;对混合气体中的各种组分具有不同的吸附能力和吸附容量.在物理吸附中,分子筛对气体分子之所以有吸附能力是由于处于气,固相分界面上的气体分子的特殊形态.一般来说处于气相中的气体分子所受的来自各个方向的分子吸引力是相同的,气体分子处于自由运动状态;而当气体分子运动到气,固相分界面时,也就是说气体分子碰撞到分子筛的表面时,气体分子将受到固相和气相中分子的引力,而来自固相分子的引力会更大,当气体分子的分子动能不足以克服这种分子引力时,气体分子就会被吸附在分子筛的固体吸附剂硅铝酸盐的表面.被吸附在固体吸附剂的表面的气体分子又被称为吸附相,其分子密度远大于气相,可接近于液态的密度.对于不同的气体组分,由于其分子的大小,结构,极性等各不相同,分子筛对其吸附能力和吸附容量也就各不相同;在分子筛变压吸附PSA装置由空气制氧时,就是利用分子筛的这一特点,其吸附相是氮气和二氧化碳气体;而吸附剂对空气中的氧气吸附能力很弱,所以氧气被分子筛排斥;空气通过装有不同吸附剂的分子筛后,除了氧气外,其它的组分和各种杂质被吸附下来,得到提纯的氧气.2.4吸附平衡吸附平衡是指在一定的温度和压力下,吸附剂和吸附质充分接触,最后吸附质在气,固两相中的分布达到平衡的过程.在实际的吸附过程中,吸附质分子会不断地碰撞分子筛并被其吸附剂表面的分子引力束缚在吸附相中;但同时吸附质分子又会不断地从吸附剂分子或其它吸附质分子得到能量,从而克服分子引力离开吸附相;当一定时间内进入吸附相的分子数和离开吸附相的分子数相同时,吸附过程就达到了平衡.对于物理吸附而言,吸附平衡很快就能够达到,并且在一定的温度和压力下,对于相同的吸附剂和吸附质,平衡吸附量是一个定值.吸附量是与压力和温度有关系的,压力越高单位时间内撞击到吸附剂表面的分子数越多,则压力越高平衡吸附量也就越大;而温度越高气体分子的动能越大,能被吸附剂表面分子引力束缚的分子就越少,则温度越高,平衡吸附量也就越小.在变压吸附制氧过程中,由于吸附-解吸循环的周期很短,仅有1-2min,其产生的吸附热来不及散失,恰好可供解吸之用,由此可见吸附热和解吸热引起的分子筛温度基本不变,吸附过程可以近似看做等温过程.其吸附量仅有压力决定,也就是说制氧量仅有压力决定.3医用分子筛制氧机结构与工作流程简述制氧机一般由六部分组成:包括空气压缩机,精密气过滤器,空气缓冲罐,PSA制氧主机,氧气缓冲罐,控制器和仪表等.空压机要选用全自动开启的高可靠性,低噪声,节能型机器,将环境空气压缩到兆帕(Mpa)数量级,高压空气经过精密过滤器除油,除水净化后进入到空气缓冲罐中,其罐的出口有一个衡定的高压空气进入到PSA制氧主机.在制氧主机中一般有两个装有制氧专用的分子筛吸附塔,其中一个充有高气压处于吸附状态,而另外一个是低气压处于解吸再生状态.两台吸附塔在控制计算机的控制指令下,通过新型程控阀,分时接通高压气或低压气,周而复始交替完成吸附和解吸再生流程,源源不断地生产出合格的医用氧气,并灌入氧气缓冲罐中,经过稳压后就可以通过中心供氧管道系统送至病房,门诊等需要用氧的各个部门.依据制氧机所需的控制要求,大多厂家控制器选用高性能的工业电脑程控器PLC,通过功率放大直接控制系统的启动和停止及程控阀开,闭.PLC 带有操作和显示单元,可以进行人机对话,完成参数调整及设定;PLC还具有设备故障监测功能,发现问题时自动通过蜂鸣器报警并可以远传.氧气流量,氧气纯度,氧气压力由三块仪表直接显示,并通过传感器送到PLC显示单元在人机界面上数字显示,还可以选择氧气流量累计显示.制氧机在正常运行过程中基本不需要操作,所有的控制均由计算机自动完成,可实现无人化运行.4PSA技术的发展方向今后PSA技术的发展方向主要在三个方面:4.1分子筛性能的提升:随着新材料及纳米技术的发展,分子筛的吸附性会极大的提高,而随着添加元素的不断丰富,产品气的提纯精度将接近100%.4.2吸附流程的优化:将为吸附设备效率的提高及成本的降低提供保证.4.3控制系统的创新:控制系统特别是专用控制阀的开发将为提高产品气的分离效率,降低设备的工耗,提高设备的稳定性可靠性提供新的可能.(收稿日期:2006-06-01)。