CN1052701C - 生产多种浓度富氧气的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种生产多种浓度富氧气的方法及装置，包括空气储气罐，两个吸附柱，产品气储气罐，空气储气罐经进气阀分别与两个吸附柱连通，两个吸附柱的排气阀通大气，两个吸附柱分别经出气阀、限流阀相连通后接产品气储罐，两个出气阀下端并联均压阀，键盘经单片机、各自的继电器分别接各自的阀，控制阀门开关的先后次序及其开关时间，可获得大量的组合，由实验确定各组合对应的氧浓度值，将其参数写入程序，即可由键盘按需要选择输出富氧气。

Description

生产多种浓度富氧气的方法及装置

本发明涉及以空气为原料，借助压力变化吸附生产富氧气的方法及装置。

富氧气体目前需要量很大，如在工业部门作助燃用的气体，养殖增氧，医疗部门用于吸氧。它们都是利用沸石分子筛对主要含有氮气和氧气的混合气体进行变压吸附处理，可对混合气体中的氧、氮实现分离，制备出纯度达90±30％的富氧气。

在现有技术领域中，已有的制备富氧气的方法及装置只能输出一种氧浓度的富氧气，也就是能达到较高浓度的富氧气，但是在实际应用中，有时需要有较低浓度的富氧气，为了达到这个目的，美国专利US4822384曾使用压缩空气混入富氧气以降低富氧气的氧浓度，但此时影响输出流量。因此，该专利使用了复杂的流量控制等手段，增加了许多附加的阀门以达到可以输出40％和90％两种氧浓度。

本发明的目的是：采用单片机程序控制实现阀门运行的多种组合，从而由空气生产多种浓度富氧气的方法，能解决背景技术中存在的问题。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：它包括含有氧、氮气的压缩空气储气罐，装有选择性吸附氮气的分子筛的两个吸附柱，一个产品气储气罐。该方法的工艺流程为：

1)工作前各阀门均处于关闭状态，采用单片机程序控制实现各阀门的开启和关闭时间，当压缩空气从压缩空气储气罐通过第一吸附柱的进气阀1进入，使第一吸附柱的压力升高，通过分子筛的选择性吸附后，富氧气从第一吸附柱的出气阀5，输至产品气储气罐，同时第二吸附柱则在解吸过程中打开排气阀4，使吸附在分子筛中的气体被排空或当第一吸附柱加压吸附和第二吸附柱解吸一定时间后，将出气阀6打开，利用部分富氧气对解吸中的第二吸附柱进行逆向吹洗或当压缩空气从压缩空气储气罐通过第一吸附柱的进气阀1进入，打开第二吸附柱的阀4使其排空，第一吸附柱的压力升高，通过分子筛的选择性吸附后，加压一定时间，打开出气阀5富氧气从第一吸附柱的出气阀5输至产品气储气罐，同时第二吸附柱则在解吸过程中使吸附在分子筛中的气体被排空，在排空的适当时机，将出气阀6打开，利用部分富氧气对解吸中的第二吸附柱进行逆向吹洗；

2)关闭阀1、4、5，打开均压阀7或关闭阀1、4、5、6，打开均压阀7，使第一吸附柱中的部分富氧气对第二吸附柱进行增压，使两吸附柱实现均压，均压时间结束后，关闭均压阀7；

3)当压缩空气从压缩空气储气罐通过第二吸附柱的进气阀3进入，使第二吸附柱的压力升高到一定值，通过分子筛的选择性吸附后，富氧气从第二吸附柱的出气阀6输至产品气储气罐，同时第一吸附柱则在解吸过程中打开排气阀2，使吸附在分子筛中的气体被排空或当第二吸附柱加压吸附和第一吸附柱解吸一定时间后，将出气阀5打开，利用部分富氧气对解吸中的吸附柱A进行逆向吹洗，或当压缩空气从压缩空气储气罐通过第二吸附柱的进气阀3进入，打开第一吸附柱的阀2使其排空，第二吸附柱的压力升高，通过分子筛的选择吸附经一定时间后，打开出气阀6，富氧气从第二吸附柱的出气阀6输至产品气储气罐，同时第一吸附柱则在解吸过程中使吸附在分子筛中的气体被排空，在排空的适当时机，将出气阀5打开，利用部分富氧气对解吸中的第一吸附柱进行逆向吹洗；

4)关闭阀2、3、6，打开均压阀7，或关闭阀2、3、5、6，打开均压阀7，使第二吸附柱中的部分富氧气对第一吸附柱进行增压，使两吸附柱实现均压，均压时间结束后，关闭均压阀7，周而复始，即可获得富氧气。

生产多种浓度富氧气的装置是：它包括空气储气罐，装有选择性吸附氮气的分子筛的两个吸附柱，产品气储气罐。空气储气罐分别经进气阀与第一吸附柱和第二吸附柱连通，第一吸附柱的排气阀和第二吸附柱的排气阀通大气，第一吸附柱经出气阀、限流阀和第二吸附柱另一出气阀、另一限流阀连通后接产品气储气罐，两个出气阀下端并联均压阀，键盘经单片机控制部件，经各自的继电器，分别连接进气阀，排气阀，出气阀，均压阀，控制各个阀的通断。

从上述的控制过程看出，各阀门的开启时间必须用单片机作精确的控制，以实现过程的自动控制。在吸附柱加压吸附时，进气阀和出气阀的开启时间会对产品气中的自动控制。在吸附柱加压吸附时，进气阀和出气阀的开启时间会对产品气中的氧浓度有很大的影响。如进气阀开的时间太长，则由于分子筛吸附达到饱和，使氮气从出口逸出，如出气阀开得太早，吸附柱吸附时未达到最佳分离压力，会使分离效果变差。另外均压过程也是非常重要，一方面可以提高氧气的回收率，使一部分富氧气在解吸排空前被导入另一吸附柱中而被充分利用；另一方面均压过程能使刚解吸过的吸附柱在吸附运行开始时先到一个较高的压力，从而使分子筛在紧接着的吸附过程中有较强的分离效果(即处于出较高的工作压力)，当然均压时间太长，则会污染已解吸的吸附柱，从而影响下步的吸附过程。再一个就是有时要对解吸的吸附柱的逆向吹洗过程，利用富氧气对解吸的吸附柱逆向吹洗，能使分子筛充分解吸，但吹洗过甚，则要浪费大量的产品气，使回收率降低。总之各阀门的开启时间的早晚及开关时间的长短，对产品气的产率和浓度会有较大的影响。有效地组织各阀门的开启，实现较佳的组合配置，则可实现对产品气的氧浓度的调节，以适应不同的需要。

本发明与背景技术相比，所具有的有益的效果是：它通过单片机程序控制系统各阀门开关的先后次序及其开关时间，可获得大量的组合，由实验确定各组合对应的氧浓度值，将其参数写入程序，即可由键盘按需要选择输出富氧气。本结构简单紧凑，操作方便，能生产出不同氧浓度的富氧气，以满足不同部门的需要。

图1、本发明结构的示意图；

图2、本发明的键盘设计原理图；

图3、本发明的生产工艺流程图之一；

图4、本发明的生产工艺流程图之二；

图5、本发明的生产工艺流程图之三；

为了更好地理解本发明，下面结合附图通过对实施例的描述，给出本发明的细节。

如图1所示，空气储气罐D分别经进气阀1、3与吸附柱A和吸附柱B连通，吸附柱A的排气阀2和吸附柱B的排气阀4通大气，吸附柱A经出气阀5、限流阀8和吸附柱B经出气阀6、限流阀9连通后接产品气储气罐C，出气阀5、6下端并联均压阀7，键盘F经单片机控制部件E，各自的继电器分别接进气阀1、3，排气阀2、4，出气阀5、6，均压阀7，控制各个阀的通断。

在内径φ120mm，长250mm的两个吸附柱装置上实施，两个吸附柱上各装有2kg沸石分子筛。有以下三种实施例：

实施例1：如图1所示，当压缩空气从压缩空气储气罐D通过吸附柱A的进气阀1进入，使吸附柱A的压力升高，通过分子筛的选择性吸附后，富氧气从吸附柱A的出气阀5输至产品气储气罐C，同时吸附柱B则在解吸过程中打开排气阀4，使吸附在分子筛中的气体被排空，当吸附柱A加压吸附和吸附柱B解吸一定时间后，关闭阀1、4、5，打开均压阀7，使吸附柱A中的部分富氧气对吸附柱B进行增压，使两吸附柱实现均压，均压时间结束后，关闭均压阀7；当压缩空气从压缩空气储气罐D通过吸附柱B的进气阀3进入，使吸附柱B的压力升高，通过分子筛的选择性吸附后，富氧气从吸附柱B的出气阀6输至产品气储气罐C，同时吸附柱A则在解吸过程中打开排气阀2，使吸附在分子筛中的气体被排空，当吸附柱B加压吸附和吸附柱A解吸一定时间后，关闭阀2、3、6，打开均压阀7，使吸附柱B中的部分富氧气对吸附柱A进行增压，使两吸附柱实现均压，均压时间结束后，关闭均压阀7，周而复始，即可获得富氧气。

当生产富氧气的氧浓度含量为45±3％(体积比)时，如图3所示，空气储气罐输出压力为0.3Mpa，吸附柱压力为0～0.24Mpa，其工艺流程为：

第一步：打开阀1、4、5进行吸附与解吸，时间为20秒；

第二步：关闭阀1、4、5，打开均压阀7进行均压，时间为3秒；

第三步：打开阀2、3、6进行吸附与解吸，时间为20秒；

第四步：关闭阀2、3、6，打开均压阀7进行均压，时间为3秒。

实施例2：如图1所示，当压缩空气从压缩空气储气罐D通过吸附柱A的进气阀1进入，使吸附柱A的压力升高，通过分子筛的选择性吸附后，富氧气从吸附柱A的出气阀5输至产品气储气罐C，同时吸附柱B则在解吸过程中打开排气阀4，使吸附在分子筛中的气体被排空，在排空的适当时机，将出气阀6打开，利用部分富氧气对解吸中的吸附柱B进行逆向吹洗，当吸附柱A加压吸附和吸附柱B解吸一定时间后，关闭阀1、4、5、6，打开均压阀7，使吸附柱A中的部分富氧气对吸附柱B进行增压，使两吸附柱实现均压，均压时间结束后，关闭均压阀7；当压缩空气从压缩空气储气罐D通过吸附柱B的进气阀3进入，使吸附柱B的压力升高，通过分子筛的选择性吸附后，富氧气从吸附柱B出气阀6输至产品气储气罐C，同时吸附柱A在解吸过程中打开排气阀2，使吸附在分子筛中的气体被排空，在排空的适当时机，将出气阀5打开，利用部分富氧气对解吸中的吸附柱A进行逆向吹洗，当吸附柱B加村吸附和吸附柱A解吸一定时间后，关闭阀2、3、5、6，打开均压阀7使吸附柱B中的部分富氧气对吸附柱A进行增压，使两吸附柱实现均压，均压时间结束后，关闭均压阀7，周而复始，即可获得富氧气。

当生产富氧气的氧浓度含量为75±3％(体积比)时，如图4所示，空气储气罐输出压力为0.3Mpa，吸附柱压力为0～0.23Mpa，其工艺流程为：

第一步：打开阀1、4、5进行吸附与解吸，时间为8秒；打开出气阀6，进行逆向吹洗，时间为7秒；

第二步：关闭阀1、4、5、6打开均压阀7进行均压，时间为2.5秒；

第三步：关闭均压阀7，打开阀2、3、6进行吸附与解吸，时间为8秒；打开出气阀5，进行逆向吹洗，时间为7秒；

第四步：关闭阀2、3、5、6，打开均压阀门7进行均压，时间为2.5秒。

实施例3：如图1所示，当空气储气罐D通过吸附柱A的进气阀1进入，打开吸附柱B的阀4使其排空，吸附柱A的压力升高，通过分子筛的选择性吸附后，加压一定时间，打开出气阀5，富氧气从吸附柱A的出气阀5输至产品气储气罐C，同时吸附柱B则在解吸过程中使吸附在分子筛中的气体被排空，在排空的适当时机，将出气阀6打开，利用部分富氧气对解吸中的吸附柱B进行逆向吹洗，当吸附柱A加压吸附和吸附柱B解吸一定时间后，关闭阀1、4、5、6，打开均压阀7使吸附柱A中的部分富氧气对吸附柱B进行增压，直至两吸附柱实现均压，均压时间结束后，关闭均压阀7；当压缩空气从压缩空气储气罐D通过吸附柱B的进气阀3进入，打开吸附柱A的阀2使其排空，吸附柱B的压力升高，通过分子筛的选择吸附经一定时间后，打开出气阀6，富氧气从吸附柱B的出气阀6输至产品气储气罐C，同时吸附柱A则在解吸过程中使吸附在分子筛中的气体被排空，在排空的适当时机，将出气阀5打开，利用部分富氧气对解吸中的吸附柱A进行逆向吹洗，当吸附柱B加压吸附和吸附柱A解吸一定时间后，关闭阀2、3、5、6，打开均压阀7，使吸附柱B中的部分富氧气对吸附柱A进行增压，使两吸附柱实现均压，均压时间结束后，关闭均压阀7，周而复始，即可获得富氧气。

当生产富氧气的氧浓度含量为90±3％(体积比)时，如图5所示，空气储气罐输出压力为0.3Mpa，吸附柱压力为0～0.22Mpa，其工艺流程为：

第一步：打开阀1、4，此时吸附柱A吸附与增压，吸附柱B解吸，时间为3秒；打开阀1、4、5、6，进行吸附与解吸、逆向吹洗，时间为12秒；

第二步：关闭阀1、4、5、6，打开均压阀7进行均压，时间为2.5秒；

第三步：打开阀2、3，此时吸附柱B吸附与增压，吸附柱A解吸，时间为3秒；打开阀2、3、5、6进行吸附与解吸、逆向吹洗，时间为12秒；

第四步：关闭阀2、3、5、6，打开均压阀门7进行均压，时间为2.5秒。

从以上三个实施例看出，采用单片机程序控制的方法，在不改变装置的情况下，实现阀门运行的多种组合，从而使输出的成品富氧气浓度可调。把程序设计成几组相对独立的程序段，每个程序段对应于相应的阀门运行组合。如图2所示为本发明的键盘设计原理图，将按键K1、K2、K3、K4、K5的一端并联后接地，其另一端分别同正向两极管D1，反向两极管D2、正向两极D3、反向两极管D4并联，其中按键K1、K3、K5分别串联电阻R1、R2、R3后并联，接电源Vcc，8031单片机P3口中的P3.0、P3.1、P3.2三个引脚分别连接至电阻R1与按键K1、电阻R2与按键K3、电阻R3与按键K5的公共端。它利用两极管的单向导通性，实现连线的隔离与接通，以实现三个引脚的多项选择的目的。即当按下键K1时，P3.0脚为低电平，由于D1的反向隔离，使P3.1不变为高电平，当按下键K2时，由于D1、D2的导通，使P3.0、P3.1为低电平，由于D3处于反向，使P3.2不变为高电平，按下键K3时，由于D2、D3处于反向，只有P3.1变为低电平，其他不变，这样依次类推。

本键盘有五个按健为K1、K2、K3、K4、K5，按键不动时，三个脚的状态都为高电平(取值1)即为(1，1，1)，当分别按下键K1、K2……K5时，对应的状态分别为(0，1，1)，(0，0，1)，(1，0，1)，(1，0，0)，(1，1，0)，因此可以根据输入口信号的不同(即按下不同的键)，使单片机的程序运行于不同的程序段，从而达到控制阀门运行的目的，最终获得所需要的氧浓度的富氧气。其氧气浓度由按键控制，当按键不动时，将保持(1，1，1)状态，程序将保持原运行状态不变，一旦按下新按键，内部即记住此状态，等上一运行程序段结束时(没有新的信号，它将无限循环)，即进入新的运行状态，从而可以得到新的氧含量的气体。所以只要简单地按一下按键，即可随时调换，非常方便，适用于多种应用。

Claims (6)

1.一种生产多种浓度富氧气的万法，它包括含有氧、氮气的压缩空气储气罐，装有选择性吸附氮气的分子筛的两个吸附柱，一种产品气储气罐，其特征是该方法的工艺流程为：

1)工作前各阀门均处于关闭状态，采用单片机程序控制实现各阀门的开启和关闭时间，当压缩空气从压缩空气储气罐[D]通过吸附柱[A]的进气阀[1]进入，使吸附柱[A]的压力升高，通过分子筛的选择性吸附后，富氧气从吸附柱[A]的出气阀[5]，输至产品气储气罐[C]，同时吸附柱[B]则在解吸过程中打开排气阀[4]，使吸附在分子筛中的气体被排空或当吸附柱[A]加压吸附和吸附柱[B]解吸一定时间后，将出气阀[6]打开，利用部分富氧气对解吸中的吸附柱[B]进行逆向吹洗或当压缩空气从压缩空气储气罐[D]通过吸附柱[A]的进气阀[1]进入，打开吸附柱[B]的阀[4]使其排空，吸附柱[A]的压力升高，通过分子筛的选择性吸附后，加压一定时间，打开出气阀[5]，富氧气从吸附柱[A]的出气阀[5]输至产品气储气罐[C]，同时吸附柱[B]则在解吸过程中使吸附在分子筛中的气体被排空，在排空的适当时机，将出气阀[6]打开，利用部分富氧气对解吸中的吸附柱[B]进行逆向吹洗；

2)关闭阀[1]、[4]、[5]，打开均压阀[7]或关闭阀[1]、[4]、[5]、[6]，打开均压阀[7]，使吸附柱[A]中的部分富氧气对吸附柱[B]进行增压，使两吸附柱实现均压，均压时间结束后，关闭均压阀[7]；

3)当压缩空气从压缩空气储气罐[D]通过吸附柱[B]的进气阀[3]进入，使吸附柱[B]的压力升高到一定值，通过分子筛的选择性吸附后，富氧气从吸附柱[B]的出气阀[6]输至产品气储气罐[C]，同时吸附柱[A]则在解吸过程中打开排气阀[2]，使吸附在分子筛中的气体被排空或当吸附柱[B]加压吸附和吸附柱[A]解吸一定时间后，将出气阀[5]打开，利用部分富氧气对解吸中的吸附柱[A]进行逆向吹洗，或当压缩空气从压缩空气储气罐[D]通过吸附柱[B]的进气阀[3]进入，打开吸附柱[A]的阀[2]使其排空，吸附柱[B]的压力升高，通过分子筛的选择吸附经一定时间后，打开出气阀[6]，富氧气从吸附柱[B]的出气阀[6]输至产品气储气罐[C]，同时吸附柱[A]则在解吸过程中使吸附在分子筛中的气体被排空，在排空的适当时机，将出气阀[5]打开，利用部分富氧气对解吸中的吸附柱[A]进行逆向吹洗；

4)关闭阀[2]、[3]、[6]，打开均压阀[7]，或关闭阀[2]、[3]、[5]、[6]，打开均压阀[7]，使吸附柱[B]中的部分富氧气对吸附柱[A]进行增压，使两吸附柱实现均压，均压时间结束后，关闭均压阀[7]，周而复始，即可获得富氧气。

2.根据权利要求1所述的生产多种浓度富氧气的方法，其特征是：空气储气罐[D]输出压力为0.3Mpa，吸附柱压力为0～0.24Mpa，工艺流程为：

1)打开阀[1]、[4]、[5]进行吸附与解吸，时间为20秒；

2)关闭阀[1]、[4]、[5]，打开均压阀[7]进行均压，时间为3秒；

3)打开阀[2]、[3]、[6]进行吸附与解吸，时间为20秒；

4)关闭阀[2]、[3]、[6]，打开均压阀[7]进行均压，时间为3秒；

能获得富氧气的氧浓度为45±3％(体积比)。

3.根据权利要求1所述的生产多种浓度富氧气的方法，其特征是：空气储气罐[D]输出压力为0.3Mpa，吸附柱压力为0～0.23Mpa，工艺流程为：

1a)打开阀[1]、[4]、[5]进行吸附与解吸，时间为8秒；

1b)打开出气阀[6]，进行逆向吹洗，时间为7秒；

2)关闭阀[1]、[4]、[5]、[6]，打开均压阀[7]进行均压，时间为2.5秒；

3a)关闭均压阀[7]，打开阀[2]、[3]、[6]进行吸附与解吸，时间为8秒；

3b)打开出气阀[5]，进行逆向吹洗，时间为7秒；

4)关闭[2]、[3]、[5]、[6]，打开均压阀门[7]进行均压，时间为2.5秒；

能获得富氧气的氧浓度为75±3％(体积比)。

4.根据权利要求1所述的生产多种浓度富氧气的方法，其特征是：空气储气罐[D]输出压力后为0.3Mpa，吸附柱压力为0～0.22Mpa，工艺流程为：

1a)打开阀[1]、[4]，此时吸附柱[A]吸附与增压，吸附柱[B]解吸，时间为3秒；

1b)打开阀[1]、[4]、[5]、[6]进行吸附与解吸、逆向吹洗，时间为12秒；

2)关闭阀[1]、[4]、[5]、[6]，打开均压阀[7]进行均压，时间为2.5秒；

3a)打开阀[2]、[3]，此时吸附柱[B]吸附与增压，吸附柱[A]解吸，时间为3秒；

3b)打开阀[2]、[3]、[5]、[6]进行吸附与解吸、逆向吹洗，时间为12秒；

4)关闭[2]、[3]、[5]、[6]，打开均压阀门[7]进行均压，时间为2.5秒；

能获得富氧气的氧浓度为90±3％(体积比)。

5.根据权利要求1所述的一种生产多种浓度富氧气方法所用的装置，它包括空气储气罐，装有选择性吸附氮气的分子筛的两个吸附柱，产品气储气罐，其特征是：空气储气罐[D]分别经进气阀[1]、[3]与第一吸附柱[A]和第二吸附柱[B]连通，第一吸附柱[A]的排气阀[2]和第二吸附柱[B]的排气阀[4]通大气，第一吸附柱[A]经出气阀[5]、限流阀[8]和第二吸附柱[B]经出气阀[6]、限流阀[9]连通后接产品气储气罐[C]，二个出气阀[5]、[6]下端并联均压阀[7]，键盘[F]经单片机控制部件[E]，经各自的继电器分别接进气阀[1]、[3]，排气阀[2]、[4]，出气阀[5]、[6]，均压阀[7]，控制各个阀的通断。

6.根据权利要求5所述的生产多种浓度富氧气方法所用的装置，其特征是：键盘上的按键[K1]、[K2]、[K3]、[K4]、[K5]的一端并联后接地，其另一端分别同正向两极管[D1]、反向两极管[D2]、正向两极管[D3]、反向两极管[D4]并联，其中按键[K1]、[K3]、[K5]分别串联电阻[R1]、[R2]、[R3]后并联，接电源Vcc，8031单片机[P3]口中的[P3.0]、[P3.1]、[P3.2]三个引脚连接至电阻[R1]与按键[K1]、电阻[R2]与按键[K3]、电阻[R3]与按键[K5]的公共端。

Images