CN102282425A - 基于膜的压缩空气呼吸系统 - Google Patents

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Abstract

一种具有不含有一氧化碳的清除气流的呼吸空气净化装置和方法。水蒸气被使用膜干燥器从压缩空气气流去除，该膜干燥器包括：具有渗透部分和非渗透部分的膜、容纳所述膜的膜外壳、连接到所述膜的膜原料入口导管和流体连接到所述膜的所述非渗透部分的非渗透气体出口导管。用于清洁所述膜干燥器的外渗透部分的清除气流从催化剂过滤器取得。该催化剂过滤器包括：包含催化剂床的滤筒、将所述滤筒保持在催化剂床外壳内并具有出口孔的两个端件、连接到所述催化剂床的催化剂入口导管和连接到所述出口孔的产品气体出口导管。清除入口管提供从所述催化剂过滤器部件到所述膜的所述渗透部分的气体连接。

Description

基于膜的压缩空气呼吸系统
技术领域
发明大体涉及基于膜(mebrane-based)的压缩空气呼吸系统和方法。更具体地，本发明涉及例如利用净化外部清除气流的膜分离器。
背景技术
在现有技术中已知，具有在包括呼吸空气系统、食品包装、制药实验室和集成电路制造中的多种用途的压缩空气可以被处理以去除污染物和水蒸气。压缩呼吸空气(CBA)可以通过呼吸空气净化系统(BAPS)产生。BAPS可以为了两个主要功能而采用：(i)脱水以从未处理的空气去除过量的水分；和(ii)净化以从未处理的空气去除固体颗粒、油气溶胶和烃蒸气。BAPS的净化功能还可以被配置为将一氧化碳转化为二氧化碳。
便携且稳定的BAPS可以被用于向面具、头盔和头罩供应纯净的CBA。CBA系统可以被用于对参与像救火、喷砂、喷漆、化学溢出物清扫、焊接、磨削、管和罐清洁以及反复暴露于能够对健康构成威胁的未处理空气的相似活动的工人提供呼吸质量的空气。联邦条例要求CBA被使用在未处理的空气可能立即产生身体不适、在反复暴露后产生慢性中毒、或在长期暴露后产生极为有害的生理症状的环境中。
传统的BAPS通常利用干燥器或冷却干燥器技术以使压缩空气脱水。这些装置均不是非常便携的并需要电控或复杂且昂贵的气动控制来操作。期望提供具有增强的便携性和减小的制造成本同时消除对任何外部功用(除了压缩空气之外)的需要同时从压缩空气去除水、液态油、油蒸汽、一氧化碳和可发觉的气味的BAPS。
此外，一些传统的BAPS，比如利用干燥剂干燥器的BAPS，需要清除(吹扫)空气以有效地运行。如果该清除空气从先于系统中空气净化的的部位取得，则清除空气可能包含致命污染物，比如一氧化碳。清除空气随后被从系统排出到周围环境中，潜在地将环境污染。期望提供产生技术安全规程和劳动保护条例(OSHA)中D级质量的呼吸空气且不会污染系统的安装区域或周围环境的BAPS。
发明内容
上述需要通过本发明被很大程度上满足，其中在一个实施例中呼吸空气净化系统可以被利用以通过不会污染BAPS的安装区域的膜清除排气气流来提供OSHA中D级质量的呼吸空气。该改进的BAPS通过利用带有纯净的外部清除气流的膜干燥器来实现。清除入口设在催化剂过滤器处理之后的膜干燥器的下游，该催化剂过滤器从清除入口气流去除一氧化碳(CO)。
在发明的示例实施例中，可以使用具有不包含一氧化碳的清除气流的呼吸空气净化装置。使用膜干燥器将水蒸气从压缩空气气流去除，膜干燥器包括具有渗透部分和非渗透部分的膜、容纳该膜的膜外壳、连接到膜的膜原料入口导管和流体连接到膜的非渗透部分的非渗透气体出口导管。膜的中间部分的输送管可以被用于将一部分非渗透产品气体从膜的非渗透部分输送到非渗透气体出口导管。在一些实施例中，过滤器安装支架被用于安装膜分离部件。为了能够提供外部清除气流，膜外壳可以具体表现为“T型”过滤器外壳。
用于清洗膜干燥器的外渗透部分的清除气流可以从催化剂过滤器取得。该催化剂过滤器包括含有催化剂床的滤筒、将滤筒保持在催化剂床外壳内并具有出口孔的两个端件、连接到催化剂床的催化剂入口导管和连接到出口孔的产品气体出口导管。在一些实施例中，催化剂过滤器包括湿度计和塞紧口，塞紧口用于由使用者选择性添加一氧化碳监测装置。
在示例实施例中，清除入口管或导管提供从催化剂过滤器部件到膜的渗透部分的气体连接。因此，基本上不含有一氧化碳的清除气体气流从催化剂过滤器部件流动到膜分离部件。呼吸空气净化装置还可以包括膜外壳内的清除入口导管。呼吸空气净化装置可以进一步包括用于计量进入膜的渗透部分的气体量的清除节流口。在一些实施例中，过滤器安装支架被用于安装催化剂过滤器部件。在发明的一些实施例中，清除过滤器，比如烧结青铜过滤器，被流体连接到清除入口管。在示例实施例中，管螺纹的催化剂配件与催化剂床外壳相交而形成配合密封，并且适配器配件保持催化剂配件的管螺纹与清除入口管之间的连接。
在发明的一些实施例中，预过滤器可被用于在压缩空气在膜干燥器中被处理之前处理压缩空气。如此，BAPS可以包括位于膜分离部件上游的至少一个预过滤器。呼吸空气净化装置可进一步包括位于催化剂过滤器下游的活性碳过滤器和位于活性碳过滤器下游的微粒过滤器。
在发明的示例实施例中，可以提供一种具有不含有一氧化碳的清除气流的呼吸空气净化装置，该呼吸空气净化装置包括膜分离机构，该膜分离机构具有：分离机构，用于将渗透部分从非渗透部分分离；容纳机构，用于容纳所述分离机构；原料入口机构，用于将原料气体运送到所述装置中；和非渗透产品气体出口机构，用于将非渗透产品气体运送出所述膜分离机构。所述装置可进一步包括催化剂过滤器机构，该催化剂过滤器机构具有：滤筒机构，用于容纳催化剂床；端件机构，用于将所述滤筒保持在催化剂床外壳内并具有用于将催化剂处理后的出口气体运送出所述催化剂过滤器的出口机构；和催化剂入口机构，用于将所述非渗透产品气体引入到所述催化剂床中。所述装置还包括清除入口机构，用于提供从所述催化剂过滤器部件到膜的渗透部分的气体连接。
在本发明的实施例中，一种使用呼吸空气净化装置的方法包括使用膜分离部件将水蒸气从压缩空气气流去除，包括：将所述压缩空气气流运送到所述装置中；将渗透部分从所述压缩空气气流的非渗透部分分离；和将非渗透气体运送出所述膜分离部件。所述方法还包括使用催化剂过滤器将一氧化碳从所述非渗透气体去除，通过：使用端件将滤筒保持在催化剂床外壳内，所述端件具有用于将催化剂处理后的气体运送出所述催化剂过滤器部件的出口孔；和将所述非渗透气体引入收容在所述滤筒内的催化剂床中。最后所述方法可以包括将所述催化剂处理后的气体从所述催化剂过滤器部件经由清除入口导管输送到所述膜的所述渗透部分，使得所述催化剂处理后的气体基本不含有一氧化碳。
在此相对宽泛地勾画出了发明的特定实施例以使本发明的详细说明可以被更好地理解，且可以更好地认识到本发明对现有技术的贡献。当然还有将在以下说明且将形成所附权利要求的主题的发明的附加实施例。
为此，在详细解释发明的至少一个实施例前，应该理解的是本发明不将其应用限于以下说明中列举的或附图中示出的构造细节或部件布局。发明能够是所描述的实施例之外的以各种方式实践和实施的实施例。而且，应该理解的是，本文所采用的措辞和术语以及摘要是为了说明的目的而不应被认为是为了限制。
如此，本领域技术人员将认识的是，本公开基于的构思可以被容易地利用作为执行本发明的若干目的的其他结构、方法和系统的基础。因此，重要的是，权利要求被认为包含在不脱离本发明的精神和范围内的这种等效结构。
附图说明
图1是示出根据本发明的示例实施例的呼吸空气净化系统的平面图。
图2提供图1的呼吸空气净化系统的剖视图。
具体实施方式
发明的示例实施例可以被用于防止呼吸空气净化系统(BAPS)的安装区域受到污染。根据本发明的BAPS可以为基于膜的以允许更加紧凑和省电的脱水工艺。发明的示例实施例利用需要清除空气(sweep air)的干燥剂或膜。例如，为了从膜纤维吸收水蒸气，膜干燥器使用干燥的压缩空气的一部分来冲刷来自中空纤维的外侧/渗透侧的水蒸气，并由此清除膜的水蒸气。在发明的示例实施例中，清除空气在干燥空气在催化剂床中被处理后从系统中的一部位取得，在催化剂床中的处理将致命的一氧化碳(CO)转化为二氧化碳。随后该基本不含有CO的清除空气可以被安全地从系统排放到周围环境中，而不对环境造成污染。
下面将参照附图对发明进行说明。图1是示出根据本发明的示例实施例的呼吸空气净化系统(BAPS)的平面图。如图1中所示，基于膜的BAPS10的示例实施例可以包括：(i)两个入口预过滤器12a、12b，用于去除大团液体，主要是水和油；(ii)膜分离部件比如膜干燥器15，用于减小压缩空气的相对湿度；(iii)催化剂过滤器20，用于将存在的任何一氧化碳转化为二氧化碳；(iv)活性碳过滤器25，用于吸收油蒸汽和可发觉的气味；(v)微粒过滤器30，用于捕捉任何混入的微小催化剂或碳细粒；以及(vi)选择性过滤器安装支架32。
图2提供图1的基于膜的BAPS10的剖视图。使用膜干燥器15来清洁压缩空气去除了污染物和水蒸气并且还降低了其露点，露点是为了使水蒸气组分凝结成水而使空气在恒定大气压力下必须被冷却到的温度。膜干燥器15可以被用于将相对湿度降低至3％或更低。压缩空气可以移动通过被特别设计用于去除水蒸气的包括一束中空纤维的膜37。由此，当压缩空气穿过膜37时，水蒸气被吸收到纤维的内侧上并迅速穿过到膜37的外层。膜束居中配件39起使膜束37在其外壳60内居中的作用。
在本发明的示例实施例中，包含水蒸气和其他杂质的压缩空气通过入口气流Is进入BAPS。传统的预过滤器可以被用于在压缩空气在膜干燥器15中被处理之前对压缩空气进行处理。入口气流Is进入去除大团液体和微粒的第一预过滤器12a。第一预过滤器12a包括设计用于承受高液体负载的过程过滤元件(course filter element)47a。液体经由漂浮式排水器49a从预过滤器12a排放。气流随后进入以更高的效率去除液体和微粒的第二预过滤器12b。第二预过滤器12b包括能够去除悬浮尘粒的精细过滤元件47b。更多液体经由另一漂浮式排水器49b从预过滤器12b排放。模块化连接套件50可被用于在BAPS的不同部件之间，比如第一预过滤器12a与第二预过滤器12b之间，形成密封。另外，每个预过滤器12a、12b包括压差计53，以指示何时需要更换预过滤元件47a、47b。
离开第二预过滤器的气流随后进入干燥器15的膜头部55。压缩空气穿过容纳在膜干燥器筒或壳60中的膜干燥器束37。可被螺旋形卷绕的膜干燥器束37特别地被设计用于去除水蒸气，并且在本发明的一个实施例中可以由一束中空纤维组成。
水蒸气分压力差存在于膜干燥器中空纤维37的内侧与膜干燥器中空纤维37的外侧之间，使得水蒸气将迁移到中空纤维37的外侧。由此，当压缩空气穿过膜纤维的内侧时，水蒸气被吸收到纤维壁的内侧上并迅速穿过纤维壁到达膜纤维37的外部。干燥器15通过中空膜纤维的内侧与外侧之间的水蒸气分压力差来驱动。为了连续干燥气体气流，如以下进一步讨论的，必须使用清除气流来驱散(清扫)膜纤维37的外层的水蒸气。
干燥空气团向上移动通过输送管65并通过膜头部55离开干燥器15。产品干燥空气随后进入催化剂过滤器20。催化剂过滤器20将一氧化碳(CO)与氧气(O2)转化为二氧化碳(CO2)。该转化的化学反应为2CO+O2→CO2。催化剂入口气流必须为了催化剂过滤器20而干燥，以从气流去除CO。为了监测入口，湿度计70位于催化剂过滤器外壳74的头部73处。湿度计70使用指示器凝胶测试催化剂过滤器20入口气流，指示器凝胶在气流干燥时为绿色而在存在水分时变为黄色。干燥的气流连续进入去除CO的催化剂床75。端件77将容纳催化剂床75的滤筒保持在其外壳79内。净化的空气气流经由底部端件77中的出口孔离开催化剂床75。净化空气团随后离开催化剂过滤器20的头部73。在发明的一些实施例中，塞紧口93可包括在催化剂过滤器20的头部内，用于选择性添加传统的CO监测装置(未示出)。
空气气流离开催化剂过滤器20的头部73并进入活性碳过滤器25。活性碳过滤器25包括填充有颗粒状活性碳的过滤器元件85。该过滤器25被设计用于从空气气流去除可发觉的味道、油蒸汽和其他有机蒸汽。最后，气流进入微粒过滤器30，微粒过滤器30具有设计用于捕获可能在前两个过滤步骤中进入气流的任何催化剂或碳细粒。微粒过滤器30包括压差计53，用于指示何时需要更换过滤器元件90。产品空气气流通过出口气流Os离开BAPS。
在中空纤维膜气体分离装置中，比如在膜干燥器15中，清除气体可被用于增加驱动所述系统的压力差，增加产品空气的干燥度并提高膜干燥器15的生产率。保持膜干燥器15的脱水性能所需要的清除空气从催化剂过滤器20的外壳的底部取得。小部分产品干燥空气通过将膜干燥器15的可移除外壳的底部连接到催化剂过滤器20的底部的清除入口管35被转移。
在本发明的示例实施例中，清除控制节流孔41可以被用于计量适当的清除空气量。清除过滤器，比如烧结青铜过滤器45，可以被安装在清除入口管35的催化剂过滤器端，以确保没有潜在地堵塞清除空气控制节流孔的固体微粒能够进入清除空气控制节流孔41。清除居中配件95被设计用于与底部束帽97对齐。清除空气气流动通过配件95，随后沿着膜束纤维37的外表面99进行清除。催化剂配件102与催化剂过滤器20的外壳74相交而形成配合密封104。适配器配件105可被用于保持配件102的管螺纹与清除入口管35之间的连接。
清除废气经由孔100离开束37并向下流动到排气通气阀107，排气通气阀107将清除废气排放到周围环境中。在发明的示例实施例中，膜干燥器15被容纳在“T型”过滤器外壳中，如此命名是因为其在外壳的头部处具有入口导管和出口导管，并具有利用来自附接到外壳底部的外部来源的清除空气的能力。由于清除入口气流在再次进入膜干燥器15之前被净化，所以清除废气在被排放到周围环境时基本不含有CO，因此净化的清除废气不会污染环境。
通过详细说明，本发明的许多特征和优点是明显的，因此所附权利要求意在覆盖落入发明的实际的精神和范围内的所有发明的这种特征和优点。此外，由于本领域技术人员容易进行各种修改和变更，不期望将本发明局限于图示和描述的确切的结构和操作，并且因此，所有适当的修改和等同方案可以被诉诸为落入发明的范围内。

Claims (25)

1.一种呼吸空气净化装置，包括：
膜分离部件，包括：
膜，具有渗透部分和非渗透部分；
膜外壳，容纳所述膜；和
膜原料入口导管，连接到所述膜；和
非渗透气体出口导管，流体连接到所述膜的所述非渗透部分；
催化剂过滤器部件，包括：
滤筒，包含催化剂床；
两个端件，将所述滤筒保持在催化剂床外壳内并具有出口孔；
催化剂入口导管，连接到所述催化剂床；和
产品气体出口导管，连接到所述出口孔；以及
清除入口管，提供从所述催化剂过滤器部件到所述膜的所述渗透部分的气体连接。
2.根据权利要求1所述的呼吸空气净化装置，进一步包括用于计量进入所述膜的所述渗透部分的气体量的清除节流孔。
3.根据权利要求1所述的呼吸空气净化装置，进一步包括位于所述膜分离部件上游的至少一个预过滤器。
4.根据权利要求1所述的呼吸空气净化装置，进一步包括在所述膜外壳内的清除入口导管。
5.根据权利要求1所述的呼吸空气净化装置，进一步包括在所述膜的中心部分中用于将一部分非渗透产品气体从所述膜的所述非渗透部分输送到所述非渗透气体出口导管的输送管。
6.根据权利要求1所述的呼吸空气净化装置，进一步包括位于所述催化剂过滤器下游的活性碳过滤器。
7.根据权利要求6所述的呼吸空气净化装置，进一步包括位于所述活性碳过滤器下游的微粒过滤器。
8.根据权利要求1所述的呼吸空气净化装置，其中所述催化剂过滤器包括湿度计装置。
9.根据权利要求1所述的呼吸空气净化装置，其中所述催化剂过滤器包括用于一氧化碳监测装置的塞紧口。
10.根据权利要求1所述的呼吸空气净化装置，进一步包括附接到所述膜分离部件的过滤器安装支架。
11.根据权利要求1所述的呼吸空气净化装置，进一步包括附接到所述催化剂过滤器部件的过滤器安装支架。
12.根据权利要求1所述的呼吸空气净化装置，进一步包括流体连接到所述清除入口管的清除过滤器。
13.根据权利要求12所述的呼吸空气净化装置，其中所述清除过滤器是烧结青铜过滤器。
14.根据权利要求1所述的呼吸空气净化装置，其中所述膜外壳具体表现为“T型”过滤器外壳。
15.根据权利要求1所述的呼吸空气净化装置，进一步包括管螺纹催化剂配件，该管螺纹催化剂配件与所述催化剂床外壳相交而形成配合密封。
16.根据权利要求15所述的呼吸空气净化装置，进一步包括适配器配件以保持所述催化剂配件的所述管螺纹与所述清除入口管之间的连接。
17.根据权利要求1所述的呼吸空气净化装置，其中基本不含有一氧化碳的清除气体气流从所述催化剂过滤器部件流动到所述膜分离部件。
18.一种呼吸空气净化装置，具有不含有一氧化碳的清除气流，该呼吸空气净化装置包括：
膜分离机构，包括：
分离机构，用于将渗透部分从非渗透部分分离；
容纳机构，用于容纳所述分离机构；
原料入口机构，用于将原料气体运送到所述装置中；和
非渗透产品气体出口机构，用于将非渗透产品气体运送出所述膜分离机构；
催化剂过滤器机构，包括：
滤筒机构，用于容纳催化剂床；
端件机构，用于将所述滤筒保持在催化剂床外壳内并具有用于将催化剂处理后的出口气体运送出所述催化剂过滤器机构的出口机构；和
催化剂入口机构，用于将所述非渗透产品气体引入到所述催化剂床中；以及
清除入口机构，用于提供从所述催化剂过滤器部件到所述膜的所述渗透部分的气体连接。
19.根据权利要求18所述的呼吸空气净化装置，进一步包括用于计量进入所述渗透部分的气体量的清除节流孔机构。
20.根据权利要求19所述的呼吸空气净化装置，进一步包括用于将微粒从进入所述清除入口机构的气体去除的清除过滤器机构。
21.根据权利要求18所述的呼吸空气净化装置，进一步包括管螺纹催化剂配件机构，该管螺纹催化剂配件机构用于与所述催化剂床外壳相交而形成配合密封。
22.根据权利要求21所述的呼吸空气净化装置，进一步包括适配器配件机构以保持所述管螺纹催化剂配件机构与所述清除入口机构之间的连接。
23.一种使用呼吸空气净化装置的方法，包括：
使用膜分离部件将水蒸气从压缩空气气流去除，包括：
将所述压缩空气气流运送到所述装置中；
将所述压缩空气气流的渗透部分与非渗透部分分离；和
将非渗透气体运送出所述膜分离部件；
使用催化剂过滤器部件将一氧化碳从所述非渗透气体去除，包括：
使用端件将滤筒保持在催化剂床外壳内，所述端件具有用于将催化剂处理后的气体运送出所述催化剂过滤器部件的出口孔；和
将所述非渗透气体引入收纳在所述滤筒内的催化剂床中；以及
将所述催化剂处理后的气体从所述催化剂过滤器部件经由清除入口导管输送到所述膜的所述渗透部分。
24.根据权利要求23所述的使用呼吸空气净化装置的方法，进一步包括计量进入所述清除入口导管的气体量。
25.根据权利要求23所述的使用呼吸空气净化装置的方法，其中所述催化剂处理后的气体基本不含有一氧化碳。
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