CN102921301A - 采用多循环膜分离的自含氧空气组分混合气中制取医用氧的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于医用氧气供给技术领域，具体为一种采用多循环膜分离的自含氧空气组分混合气中制取医用氧的方法。本发明（1）采用至少1级膜分离器进行分离，主要用于祛除氮气；（2）采用至少1级多循环的膜分离器进行分离，主要用于祛除氩气、氮气；其中：（a）将自渗透侧产生的氧气的至少一部分输出为产品气；（b）将自渗透侧产生的氧气循环返回第2组膜分离器作为原料气。根据本发明方法，可以获得满足《GB8982-2009医用及航空呼吸用氧》标准要求的氧气纯度≥99.5%的医用氧气。

Description

采用多循环膜分离的自含氧空气组分混合气中制取医用氧的方法

技术领域

本发明属于医用氧气供给技术领域，具体涉及一种自含氧空气组分混合气中制取医用氧的方法。

背景技术

目前，用于医疗用途的氧气生产、供给方法主要有：

1以深冷空分技术制取气态氧气并灌充至钢瓶内或制取液态氧气灌充至液氧储槽内，运输至医院现场，其中，钢瓶装医用氧以汇流排对医院实施集中供氧，液氧则经汽化后对医院实施集中供氧，这两种供氧方法是目前医院的主流供氧方法，其气源来源均为深冷空分技术自空气中制取的氧气，该氧气的理化性能指标遵循国标《GB8982-2009 医用及航空呼吸用氧》的技术要求，氧气纯度≥99.5%；

2医用分子筛制氧则是一种新兴的供气方法，该供气方法的气源来自变压吸附技术制取的氧气，按《YY/0289-1998 医用分子筛设备通用技术规范》标准的要求，医用分子筛制氧的氧气纯度仅需≥90%。

上述两种供氧方法中，因变压吸附技术的灵活、方便、投资少、能耗低、自动化程度高等优点，一开始应用就得以迅速发展，目前已装备于各大医院数百套，成为医用氧现场供气的热点方法，至今仍然呈现不断增长的趋势。

但是，因受制于常规制氧分子筛的性能，采用CaA，CaX，NaX，LiX型等普通沸石分子筛基于平衡吸附机理的分子筛变压吸附制氧技术，仅能从空气中获得纯度80～95.7%的氧气，其氧气纯度指标明显低于《中国药典》和2009年5月1日发布执行的《GB8982-2009 医用及航空呼吸用氧》对医疗用氧的技术指标（强制执行条款）要求，这也是我国行业标准低于国标的一个特例。

膜分离技术为制取医用氧气开辟了一条全新的技术途径，膜分离制氧过程是物理过程，无相变，设备本质安全，可满足任何医院使用的安全要求，无瓶装氧气、液氧杜瓦瓶的运输、储存、使用等安全风险隐患，同时，膜分离方法也具有PSA方法的一切优点，灵活、方便、投资少、能耗低、自动化程度高，但是，现有单一的膜分离过程因受制于膜分离材料的分离性能，单级膜分离过程难以达到《GB8982-2009 医用及航空呼吸用氧》标准规定的氧气纯度≥99.5%的技术要求。

发明内容

鉴于以上情况，本发明提供一种分离氧气纯度高，而且投资少、能耗低、自动化程度高、安全的自含氧空气组分混合气中制取医用氧气的方法。

本发明提供的自含氧空气组分混合气中制取医用氧气的方法，采用多循环的膜分离耦合工艺，可以将氧分压≥100（KPa）的含氧空气组分混合气提纯为氧气纯度≥99.5%以上的氧气。

本发明中，所谓含氧空气组分混合气，系指由氮气、氧气、氩气三组分为主的具有一定氧气分压的混合气；为更好的解释氧分压，如空气，空气中氧气纯度为21%，0 m海拔条件大气压力为101.325（KPa），根据玻意耳定律，该空气的氧分压为21%×101.325（KPa）=21.28（KPa）；如将该空气加压到10atm（绝压），则其氧分压为21%×10×101.325（KPa）=212.8（KPa）；又如由变压吸附制取的氧气，如其氧气纯度为90%，0 m海拔条件，如将该含氧90%的混合气加压到3atm（绝压），则其氧分压为90%×3×101.325（KPa）=273.58（KPa）；以此类推。

本发明中，涉及膜分离过程的膜分离器，所指膜分离器，是一种装填有膜分离材料的分离元件，它对待分离的氧、氮、氩组分具有一定的选择性，所谓选择性，也称分离系数，α(阿尔法)值，如氧/氮分离系数，其一般定义为：α(阿尔法)值，氧/氮分离系数=（Q_N2/Q_O2），式中Q_N2和Q_O2分别为单位时间、压力下纯组分氮气和氧气通过特定膜材料的渗透量，以此类推。

所述膜分离器，至少具有一个1个原料气入口， 1个滞留气出口，前者称为膜分离器首部，后者称为膜分离器尾部；还有至少1个渗透气出口，并且，膜分离器具有高压侧与低压侧，其中，高压侧的一端连接原料气入口，即膜分离器的首部，接收原料气，另一端连接滞留气出口即膜分离器的尾部，用以排除较难通过膜分离材料的气体，而低压侧则连接渗透气出口，用以排出较容易通过膜分离材料的气体；

本发明方法具体步骤如下：

    （1）采用至少1级膜分离器进行分离，主要用于祛除氮气。它接收原料空气和后级循环返回的工艺气体，混合后达到≥100（KPa）的氧分压后，作为第1级膜分离器的原料气，并自该级膜分离器中的滞留侧出口排除富氮气体，而自膜分离器中的渗透侧出口产生富氧气体并以此作为后级膜分离器的原料气；

    （2）采用至少1级多循环的膜分离器进行分离，主要用于祛除氩气、氮气。该循环的膜分离器至少由2组膜分离器、升压设备以及必要的阀门组成，接收前级产生的富氧气体为原料，并与循环返回的工艺气体混合后的混合气作为该级膜分离器的原料气，自第1组膜分离器的滞留侧排除富含氩气、氮气为主气体，而自第2组膜分离器的渗透侧经升压设备排出纯度≥99.5%以上的氧气；

并且，组成该循环的膜分离过程的2组膜分离器应该首尾相接，其中第1组的原料气入口与第2组的滞留气出口相连通，而前级的原料气与自第2组膜分离器的的滞留侧出口排出的至少一部分气体相混合后作为第1组膜分离器的原料气；

并且，第2组膜分离器的渗透侧至少为2个出口，一个渗透气出口靠近原料气入口侧或者称膜分离器的首部，另一个渗透气出口靠近滞留气出口侧或者称膜分离器的尾部；

并且，组成该循环的膜分离过程的两组膜分离器中，第1组膜分离器的渗透侧出口与第2组膜分离器的渗透侧靠近尾部的出口相连通，自第1组膜分离渗透侧产生的富氧气体与自第2组膜分离器的渗透侧产生的富氧气体混合后自靠近首部的出口排出，并自首部的出口连接一个升压设备，典型的，该升压设备如压缩机或真空泵，用于输送该自渗透侧产生的氧气所需的输送动力。其中：

 （a）将自渗透侧产生的氧气的至少一部分输出为产品气；

 （b）将自渗透侧产生的氧气循环返回第2组膜分离器作为原料气。 

典型的，本发明可采用两级膜分离耦合工艺，即第一级采用一个膜分离器进行分离，第二级采用1级多循环的膜分离器进行分离；自第2级的第2组膜分离器的滞留侧出口排出的至少一部分气体循环返回进入第1级膜分离过程与原料空气相混合后作为第1级膜分离器的原料气；

     本发明采用的上述两级膜分离耦合工艺中，第1级膜分离过程采用的膜分离材料其氧/氮分离系数应≥6，氧/氩分离系数应≥3；第2级膜分离过程中的第1、2组采用的膜分离材料，其氧/氮分离系数应≥6，氧/氩分离系数应≥10。

根据本发明方法，可以获得满足《GB8982-2009 医用及航空呼吸用氧》标准要求的氧气纯度≥99.5%的医用氧气。

附图说明

图1是一种以至少两级的多循环膜分离耦合工艺自含氧空气组分混合气中制取医用氧的方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步阐述本发明方法：

在本发明中的分离方法中，如附图1所示的膜分离过程。说明书包括实施例子所指说的一些名字释义如下：

如附图1所示的膜分离器M101A、M201A是一种3口膜分离器，每个膜分离器由膜分离材料分隔为高压侧、低压侧，其中，高压侧的一端连接1个原料气入口，即膜分离器的首部，接收原料气，另一端连接1个滞留气出口即膜分离器的尾部，用以排除较难通过膜分离材料的气体，而低压侧则连接1个渗透气出口，用以排出较容易通过膜分离材料的气体，该膜分离器具有氧气与氮气、氩气的分离功能，氧气较容易透过而氮气、氩气较难以通过。

如附图1所示的膜分离器M202A是一种4口膜分离器，每个膜分离器由膜分离材料分隔为高压侧、低压侧，其中，高压侧的一端连接1个原料气入口，即膜分离器的首部，接收原料气，另一端连接1个滞留气出口即膜分离器的尾部，用以排除较难通过膜分离材料的气体，而低压侧则连接2个渗透气出口，用以排出较容易通过膜分离材料的气体，其中一个渗透气出口靠近原料气入口侧或者称膜分离器的首部，另一个渗透气出口靠近滞留气出口侧或者称膜分离器的尾部，该膜分离器具有氧气与氮气、氩气的分离功能，氧气较容易透过而氮气、氩气较难以通过。

附图中，以V代表控制阀门，如V1，V2等等，都是控制阀门，可以根据需要进行开启、关闭、调节，优选可以带有流量控制、调节性能的自动控制阀门，这些阀门可以是手动的、气动控制的，也可以是电动、液压控制的自动阀。

AB01代表升压设备，如压缩机械、真空泵。

实施例

1） 如附图1的2级多循环的膜分离耦合工艺，其中第1级膜分离过程接收压缩并进行了预处理的洁净的压缩空气作为原料气经V1阀调节流量后输入，与第2级膜分离过程的第2组自滞留侧排出的至少一部分气体经V4调节流量与之混合后，自①作为第1级膜分离过程的原料气，其氧分压应≥100（KPa）；

本级分离过程中，典型的，空气经压缩机压缩到如4～10 atm（表压）后，经如公知技术的过滤器包括活性炭除油器或者过滤器、冷冻干燥机或吸附式干燥机等组成的预处理系统，脱除压缩空气中夹带的水分、固体颗粒杂质以及油份后进入，其中，过滤器可以是多级的、组合式的，吸附式干燥机、冷冻干燥机可以是联合的，也可以单独采用，按照通常的设计要求，本专业的技术人员可以灵活的掌握预处理系统所包含的组件与设计要求；

经本级分离后，自膜分离器的滞留侧经V2调节流量后自②排除氮气、氩气，而自膜分离器的渗透侧自③输出纯度30～75%的富氧气体；

2） 如附图1的2级多循环的膜分离耦合工艺，第1级渗透侧自③产生的富氧气体经阀V3调节流量后，与第2级膜分离过程的第2组自滞留侧排出的至少一部分气体经V5调节流量与之混合后，自④作为第2级第1组膜分离器的原料气，并经V6调节流量自⑥排除氮气、氩气，而自第2级第1组膜分离器的渗透侧产生富氧气体自⑦进入第2级第2组膜分离器的渗透侧并与第2组产生的富氧气体混合后自⑧经连接的升压设备AB01送出，其中：

至少一部分经阀V8调节流量后自⑨输出为氧气纯度≥99.5%的医用氧气；

至少一部分经阀V7调节流量后循环返回第2级第2组膜分离器作为原料气；

3） 上述两级膜分离耦合工艺中，自第2级第2组膜分离器的滞留侧出口自⑤排出的气体中的至少一部分气体经阀V4调节流量后循环返回进入第1级膜分离过程与原料空气相混合后作为第1级膜分离器的原料气，而至少一部分经阀V5调节流量后循环返回并与第1级膜分离器产生的富氧气体混合后自④作为第2级第1组膜分离器的原料气；

4） 采用的上述至少2级的多循环的膜分离耦合工艺过程中，第1级膜分离过程采用的膜分离材料其氧/氮分离系数应≥6，氧/氩分离系数应≥3，典型的，如选择由美国APCI生产的聚砜、聚酰亚胺材质的膜分离器；第2级膜分离过程中的第1、2组采用的膜分离材料，其氧/氮分离系数应≥6，氧/氩分离系数应≥10，典型的，如选择由上海偲达弗材料科技有限公司生产的分子筛膜分离器。

经检测，通过上述分离步骤，即可分离纯度达99.5%以上的高纯度氧气。

如上述的分离步骤，其中，升压设备以克服系统阻力、循环所需达到的工艺压力与流量为设计目标，可按公知技术进行设计。

以上所描述或附图所示的方法、工艺参数和装置中，可作出各种不同变动而不会背离本发明的范围。因此，其它的不违背本发明精神的方法、装置或结合应用的改良以及可在本发明的实践中采用的实施方案也应包括在所附权利要求的范围之内。

上面所描述的实施方法仅阐述本发明的一些重要特征，本专业的技术人员应该知道，尽管本发明结合附图进行了部分描述，但这仅仅是本发明的一个应用实例或者一种方法，一切不违反本发明阐述的实质的其它变化也属于本发明的范畴。

Claims (3)

1.一种采用多循环膜分离的自含氧空气组分混合气中制取医用氧的方法，其特征在于具体步骤如下：

（1）采用至少1级膜分离器进行分离，主要用于祛除氮气；

它接收原料空气和后级循环返回的工艺气体，混合后达到≥100 KPa的氧分压后，作为第1级膜分离器的原料气，并自该级膜分离器中的滞留侧出口排除富氮气体，而自膜分离器中的渗透侧出口产生富氧气体并以此作为后级膜分离器的原料气；

（2）采用至少1级多循环的膜分离器进行分离，主要用于祛除氩气、氮气；

该循环的膜分离器至少由2组膜分离器、升压设备以及必要的管线、阀门组成，其一级循环的膜分离器接收前级级循环的膜分离器产生的富氧气体为原料，并与循环返回的工艺气体混合后的混合气作为该级膜分离器的原料气，自第1组膜分离器的滞留侧排除富含氩气、氮气为主气体，而自第2组膜分离器的渗透侧经升压设备排出纯度≥99.5%以上的氧气；

并且，组成该循环的膜分离过程的2组膜分离器首尾相接，其中第1组的原料气入口与第2组的滞留气出口相连通，而前级的原料气与自第2组膜分离器的的滞留侧出口排出的至少一部分气体相混合后作为第1组膜分离器的原料气；

并且，第2组膜分离器的渗透侧至少为2个出口，一个渗透气出口靠近原料气入口侧或者称膜分离器的首部，另一个渗透气出口靠近滞留气出口侧或者称膜分离器的尾部；

并且，组成该循环的膜分离过程的两组膜分离器中，第1组膜分离器的渗透侧出口与第2组膜分离器的渗透侧靠近尾部的出口相连通，自第1组膜分离渗透侧产生的富氧气体与自第2组膜分离器的渗透侧产生的富氧气体混合后自靠近首部的出口排出，并自首部的出口连接一个升压设备，用于输送该自渗透侧产生的氧气所需的输送动力。 

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用两级膜分离耦合工艺，即第1级采用1个膜分离器进行分离，第2级采用1级多循环的膜分离器进行分离；自第2级的第2组膜分离器的滞留侧出口排出的至少一部分气体循环返回进入第1级膜分离过程与原料空气相混合后作为第1级膜分离器的原料气。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，上述两级膜分离耦合工艺中，第1级膜分离过程膜分离器采用的膜分离材料，其氧/氮分离系数≥6，氧/氩分离系数≥3；第2级膜分离过程中的第1、第2组膜分离器采用的膜分离材料，其氧/氮分离系数≥6，氧/氩分离系数≥10。