CN1551794A - 医用氧气浓缩器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种先进的医用浓缩器方法和系统，使用快速的循环和先进的吸附剂。实现了显著的进步，其结果是与当前市售的固定式浓缩器相比更小、更轻和更有效的系统。公开了小型的便携式系统。

Description

医用氧气浓缩器
发明领域
本发明提供了一种先进的医用氧气浓缩器方法和系统。更具体的说，本发明通过使用一种快速PSA(压力摆动吸附)循环和先进的吸附剂实现了一种紧凑的、重量轻和功率低的医用氧气浓缩器。相对于市售的固定医用氧气浓缩器，本发明提供了重大的系统进步和成本的节省。而且，当与储存器集成时，本发明提供了一个真正的便携式单元。
发明背景
越来越多的人们需要用氧气来减缓呼吸机能不全。虽然可以通过液态的或高压气瓶来提供家庭用氧，近来医用氧气浓缩器已成为一个节省成本的和优选的系统。
大多数氧气浓缩器是基于压力摆动吸附(PSA)，包括真空摆动吸附(VSA)或真空压力摆动吸附(VPSA)。PSA是将氧气从空气中分离出来的一项广为人知的技术，具有多种应用，从几升/分(LPM)的医用浓缩器到数百吨氧气/日(TPDO)的工业规模装置。
医用浓缩器与大规模工业装置利用相同的PSA原理，区分二者的是其特性和规模。在医用浓缩器与大规模装置之间，PSA系统的组件对总成本的贡献是不同的。例如，在大规模装置上吸附剂和容器占总成本的很大部分，而在医用浓缩器上压缩机是成本最大的组件。另外，因为医用浓缩器是家用的，其尺寸和重量是重要的性能参数，特别是对于便携式的单元。相反，在大规模装置中，系统的尺寸和重量除了其对总的氧气成本的作用之外，并不是特别重要。
众所周知，总PSA性能主要依赖于三个参数之间的相互关系，它们是：BSF(每单位时间产生给定氧气量所要求的吸附剂的量(1bs/TPDO))、回收率(其中氧气回收率的定义是产品中氧气与进料中氧气的)和功耗(在过程中生产单位产品消耗的总功率，又称为单位功率系数)。这样，小的BSF可以降低吸附剂的成本，但这又可被下降的产品回收率和更高的功耗所抵消。功耗成为一个重要因素，特别是在由电池提供能量的便携式单元中。
医用浓缩器设计不仅必须考虑成本和功耗，还要考虑系统的尺寸、重量和舒适性。在现有氧气浓缩器技术中所作的大部分努力都集中于发展小的和经济的系统。
典型的市售浓缩器使用沸石吸附剂如5A、13X或Oxysiv-7(LiX(SiO2/Al2O3＝2.5)得自UOP，Des Plaines，IL USA)。高度交换的LiX吸附剂如在Chao的美国专利4859217中所述。
更好的SiO2/Al2O3＝2.0的LiX吸附剂近来在Chao和Pontonio的WO 99/43415中公开。该吸附剂由Ackley和Leavitt所开发(WO99/43416)，并且Ackley和Smolarek(WO 99/43418)在氧气生产中实现了快速的PSA循环。
Norman R.McCombs(美国专利5474595)公开了基于双床PSA并具有生产能力控制系统的医用浓缩器，生产能力控制系统位于压缩机上游，用于降低功耗。
Charles C.Hill和Theodore B.Hill(美国专利5366541)公开了一种使用旋转分配阀来代替若干传统电磁阀的医用浓缩器。此设计简化了传统的浓缩器系统并且更为紧凑和可靠。
R.H.Kaplan等(AIChE Meeting，Nov.7，1989，San Francisco)跟踪了浓缩器设计的发展，并选择了快速PSA(RPSA)系统。使用三床系统和小的吸附剂颗粒(40×80的珠子，或直径约0.25mm)，循环时间被降到2.4s。本发明的发明人计算出当在30psig的吸附压力和相当于大气压的解吸压力下运行时(如吸附/解吸压力比约为3)，床尺寸因子(BSF)约为200lbs/TPDO。基于标准的5LPM生产能力所对应的吸附剂重量被确定为约2.2lb。此BSF(如2.2lbs/5 LPM氧气)约比通过其它传统PSA浓缩器得到的小2倍。但是，其实现的氧气回收率仅为约25％。此回收率与大规模VPSA方法(其能实现高达约60％到70％的回收率)相比非常小。由于回收率低，就需要大的空气压缩机。在RPSA系统中的压降在1fps的表观速度下约为8psi/ft，与大型O2PSA装置中小于1psi/ft的压降相比也比较大。低回收率和高压降导致了浓缩器具有相对高的功耗。
Stanley Kulish和Robert P.Swank(美国专利5827358)公开了另一种快速PSA氧气浓缩器。其使用了至少三个吸附剂床，吸附步骤的过程循环约为1-2秒且解吸步骤的过程循环为5-10秒。应用一个六床结构，据本发明的发明人所估算，在约为3的压力比下，快速循环中所允许的BSF约为125lb/TPDO。这样对5LPM生产能力的系统来说，吸附剂的总量约为1.3lb。没有公开关于回收率的结果。
Sircar在美国专利5071449中公开了一个单床RPSA循环，其为连续进料，并且循环时间的范围为6-60秒。
现有技术的氧气浓缩器的典型参数在表1中加以总结。
表1现有技术的浓缩器
系统 方法 压力比 性能
BSF(lb/TPD) 回收率(％) 功耗(kw/TPD)
市售浓缩器 (V)PSA 约3-5  400或更大 约35或更大 约35或更大
Kaplan PSA   3  200 25 未知
Kulish PSA   3  125 未知 未知
表中所列的功耗比大规模工业PSA系统(其典型功耗为10kw/TPD或更小)更大。至少一个以下原因使大规模工业PSA系统的功耗更小：
超大气压PSA具有更高的分离功耗；
较小规模送风机具有更低的效率；以及
较快循环过程具有更高的压缩功耗。
确实存在具有约2-3LPM生产能力的所谓“便携式”浓缩器，但典型地，此种机器的重量超过了约20lbs(不包括电池)。因此，需要降低此种便携式医用氧气浓缩器的尺寸和重量。
伴随医用氧气浓缩器的另外一个问题是如果氧气流是连续向患者提供的，则大部分产生的氧气都被浪费掉了，因为氧气只有在吸气时(约占呼吸循环时间的1/3)才能进入患者的肺部。
Chua等的美国专利5735268公开了储存器的应用，以将从气源，如液氧罐中存储用于让患者呼吸的氧气。
Sato等的美国专利4681099教导了浓缩器与储存器的结合，其中氧气缓冲罐与浓缩器相连，并且储存器使起始的氧气流量高于每次吸入的稳定气流量。
发明概述
本发明将一种非常快的压力摆动吸附氧气循环通过与一种高速吸附剂相结合来实现相对市售的/现有技术的医用氧气吸浓缩器重大的进步。在最优选的实施方案中，循环时间可以短至约4秒，并且与当前市售的医用浓缩器相比，其吸附剂容量和容器体积降低了至少约7倍。在更优选的实施方案中，所得到的氧气回收率大于50％。结果得到了一种尺寸、重量和功耗都比本领域当前状态有相当程度降低的浓缩器。
在本发明一个进一步优选的实施方案中，本发明的便携式浓缩器系统和方法进一步与储存器相集成。
本发明医用浓缩器的产品纯度范围从含氧约85％到95％。
附图的概括描述
图1所示为用于实行本发明优选的实施方案的双床PSA系统。
图2是本发明优选实施方案的代表性的过程循环。
图3是用于测量固有吸附速度的装置的示意图。
图4是本发明系统与现有技术的比较图。
图5本发明系统与现有技术所要求的吸附剂重量的比较图。
发明的详细描述
本发明提供了一种先进的医用浓缩器方法和系统，其具有较小的尺寸、较轻的重量和较低的功耗。它相对于当前的市售固定式医用浓缩器，提供了相当程度的成本节省。最终，当与储存装置相结合时，其提供了一个便携式装置，能够让患者轻易携带。
与现有技术的医用浓缩器相比，本发明具有如下优越性：
与当前市售的医用浓缩器相比，通过应用快速PSA循环与重叠步骤和具有MTCN2≥100s-1的先进吸附剂，实现了重大的方法性能进步。优选的吸附剂为具有2.0-2.5的SiO2/Al2O3比和具有＞88％的Li的_LiX吸附剂。具体的吸附剂可以是那些标识为Oxysiv-7和X-2(见下面)的吸附剂。性能的提高通过下面三个参数体现：BSF＜300lb/TPD，优选≤250lb/TPDO，更优选≤140lbs/TPDO，更优选≤90lbs/TPDO，和最优选≤50lbs/TPDO；回收率≥35％，优选≥40％，更优选≥50％，和最优选≥60％；功率≤30kw/TPDO，优选≤25kw/TPDO，更优选≤15kw/TPDO提供纯度＞85％的≤15LPM的O2。
小的BSF意味着本发明只使用当前市售单元所要求的吸附剂量的一部分。这大大降低了吸附剂重量，吸附剂容器重量和床的尺寸。
实现高的回收率允许小得多和轻得多的压缩机和更小的功耗。
更少的吸附剂、更小的吸附剂床和更小的压缩机的联合反过来降低了其它的伴随组件，例如浓缩器的外壳。得到的浓缩器系统显著地进步了，与现有的系统相比，其具有小得多的尺寸、更轻的重量和降低的功耗。
增强的系统要求处理更小的空气流，结果是更小的噪音和使患者更加舒适。
当与储存器集成时，本发明小的改进浓缩器可以实现真正的便携化。
虽然任何具有大于100s-1的传质系数(MTCN2)的吸附剂都可被使用，但优选的吸附剂(X-2)是具有2.0氧化硅/氧化铝比和＞88％Li的腐蚀消化的LiX材料。吸附剂优选地具有在约0.55mm左右的平均粒径。X-2可根据以下实施例来制备：
实施例I：
X-2样品LiX2.0 CD(99％Li)(30×40目)的制备过程
成形：商品NaKX2.0沸石粉由UOP提供。3520克NaKX2.0(干重，湿重为4327克)和480gm Ecca Tex-610高岭陶土(ECCInternational(现为Imery公司。)(干重，湿重为560克。陶土占混合物总重的12％)被用来成形珠子。
414.8克Latex 163S(含57.3％固体，Union Carbide公司(现为Dow有限公司)被加入到在一个大烧杯里的1930克水中。搅拌，然后加入480克Tex-610。再搅拌10分钟。然后加入一部分NaKX 2.0(1800克，湿重)并且再搅拌10分钟。
泥浆与剩余的NaKX2.0沸石粉被加入到研磨机中并研磨3小时。然后将混合物转移到诺塔混合器中来制做珠子。6小时后，方法生产出产品大部分在30×70范围内。
珠子被干燥并在空气中于592℃下煅烧2.5小时。
腐蚀性消化：使用4.5％的NaOH和3.1％KOH溶液来将陶土转化为沸石。80％的该溶液已通过将溶液与牺牲产品珠子共同煮的方法被铝硅酸盐饱和，且剩余的20％为NaOH和KOH新鲜溶液。2141克煅烧的珠子(干重)被置于一钢塔中，9054克消化溶液通过塔被回收，流速为40ml/min并维持在88℃下25小时。在消化完成之后，在塔中以40升pH12(用NaOH调节)然后是40升pH9的水以40ml/min的流速洗涤。
Li离子交换：含有8％的LiCl且pH用LiOH调节为9的溶液被用于离子交换。离子交换在玻璃塔中进行。1625.7克30×40的珠子和54362克LiCl溶液被使用。溶液被预热并且塔温被维持在90℃。溶液以60ml/min的流速被一次性泵入。在Li离子交换完成后，产品用以LiOH将pH调节至pH9的水来洗涤。在Li离子交换后产品被筛分。只有30×40的部分才被用于氧气浓缩试验。
LiX 2.0 CD的干燥与煅烧：30×40珠子被置于两个大的线网盘中，珠子层的厚度范围为1/4英寸。样品在用空气充分吹净的BlueM炉中干燥。用3个小时将炉温提高到135℃，然后在此温度下再维持3小时。干燥后珠子的LOI为10.7％。干燥后的珠子被置于高温BlueM炉中。该炉用干燥空气吹净。用约2小时将炉温升至593℃，并在593℃下再维持40分钟。在约530℃下将样品移出，放入一个带盖玻璃罐中，并在进行试验前与空气隔绝。对产品进行筛分级，显示其平均直径为0.49mm。
实施例II
样品X-2(LiX2.0 CD(99％Li)(20×50))的制备过程
该过程与上面所描述的相同，除了对珠子尺寸的限制范围放宽到了20×50。对最后的煅烧产物进行筛网分析，其具有0.54mm的平均直径。
代替上述实施例中的乳液，其它材料如苯乙烯-丁二烯共聚物、丁二烯与丙烯腈共聚物、丙烯酸的、乙烯基丙烯酸的，苯乙烯丙烯酸的，苯乙烯、环氧的、酚的、乙烯的聚合物，多糖(如淀粉)、植物胶、明胶、聚丙烯酰胺、聚环氧乙烷、聚乙烯醇、纤维素醚、以及所有这些聚合物的衍生物，都可被使用。本发明优选的PSA循环使用一个如图1所示的双床装置。循环步骤如图2所示，且组成如下：
同步进料与产品增压(FP/PP)、吸附(AD)、均化(EQ)、排空(EV)、排空与净化(EV)、同步均化与进料(EQ/FP)。
参看图1中的双床结构和在图2中的循环过程，在步骤1(FP/PP)中，含有氧气和氮气的空气在压缩机11中被压缩，并通过阀门30和25被送至床A。同时，高压氧气产品通过阀门21、22和23被逆向引入到床A的顶部，用于产品的增压。
当床中的压力达到吸附水平时，开始进行步骤2(AD)。氧气流的一部分从床A通过阀门23，22和21并被收集作为产品。其它部分通过阀门24被引入床B作为净化气。在所有这些时间里(步骤1和2)，床B进行了两个排空步骤(步骤4泄放和排空，步骤5，排空)，通过阀门28并使用排空泵12。(当床A进行步骤4和5时，阀门26是打开的)。
当离开床A的氧气纯度不再是可接受的(如在本方法中小于85％)时，关闭阀门22。阀门28也被关闭，而打开阀门23和24，并开始对床A进行步骤3(EQ)。对于床B，此时进行的是步骤6(EQ/FP)，且空气通过阀门27进入到底端，同时在顶部进行均化。当两个床之间的压力近似于彼此相等时，停止均化步骤(EQ和EQ/FP)，并进行循环的后半部分(其中床B经历步骤1-3并且床A经历步骤4-6)。本领域专业人员会认识到，如果离开高压床的氧气纯度与所希望的产品纯度相比变得过低，且在给定产品纯度下回收率和功耗将不会再提高，均化可以更早结束。
这些重叠的步骤允许连续的进料且降低了循环时间。此外连续进料最小化了运行过程中进料端空隙的副作用，因为进料端管路在或接近高的吸附压力下维持增压。
通过在短循环应用处理中去掉均化步骤，循环可进一步简化。对于短循环处理来说，在均化步骤中，床间的气体转移变得可以忽略且是不连贯的。
代表性的处理条件如下：解吸/吸附压力分别为0.25/2.0bars(对真空PSA(VPSA))，优选地分别为0.5/1.5和1/6bars(对超大气压PSA)，优选地为1/3；且温度为环境温度(如25℃)；平均摩尔进料(O2和N2)流量范围为约10-100mol/s/m2，优选地15mol/s/m2；总的外部空体积与吸附剂床体积的比典型地小于50％，优选地小于30％；此方法的循环时间小于约10s，优选地小于6s；且在每单位长度上的压降小于6psi/ft.；优选地为1-2psi/ft.之间。外部空间是从吸附剂床的底部和顶部到进口和出口流道的第一个阀门之间空间的总和。
该循环的具体的非限制性实施例，对VPSA(跨大气压)和PSA(超大气压)如下所示：
VPSA 4″床
0.5-1.5 bars，循环时间4s，BSF 50lb/TPD，回收率60％
 步骤 开始：结束压力范围(bar) 时间(s)
 1.FP/PP  0.6∶1.2  1
 2.AD  1.2∶1.5  0.9
 3.EQ  1.5∶1.4  0.1
 4.EV  1.4∶0.8  1
 5.EV/PG  0.8∶0.5  0.9
 6.EQ/FP  0.5∶0.6  0.1
PSA 6″床
1-3bars，循环时间9s，BSF 100lb/TPD，回收率50％
步骤 开始：结束压力范围(bar) 时间(s)
 1.FP/PP  1.1∶1.4  2.2
 2.AD  1.4∶3  2.2
 3.EQ  3∶2.9  0.1
 4.EV  2.9∶1.1  2.2
 5.EV/PG  1.1∶1.0  2.2
 6.EQ/FP  1.0∶1.1  0.1
当与具有MTCN2≥100s-1的吸附剂(如X-2和Oxysiv-7)相结合时，应用该循环的结果是使回收率、BSF和功耗都有了显著改善。
可以通过将从透过实验中得到的数据代入到合适的模型中来测定传质系数ki。
因为在本文实施例中的吸附速率都被量化，用于得到传质速度系数的穿透实验简要描述如下。本领域专人员会认识到可以利用该实验的各种变体。
对于空气分离过程来说，透过试验分2个步骤进行，其中在每一步骤中进料气体的流速、压力和温度都是相同的。参照图3描述这个过程。第一步涉及通过流量计4和管线3用最不具选择性的成分O2将吸附剂床1浸润。在第二步，空气或人工合成的含有N2和O2的空气混合物通过流量计4和管线3引入床1。阀门6与流量计2联动运行以使空气或人工合成空气的压力在外环路中得以维持，直到四通阀门7将空气/人工合成空气进料连接到管线3，以使空气/人工合成空气流入到床1中。进料混合物的压力、温度和组成在第二步中应该是在实际过程的吸附步骤中具有代表性的，如1.5bar，300°K进料空气组成。摩尔流量近似于10mol/m2.s，虽然此流量可以根据需要而变化。通过使用位于吸附剂床下游侧的控制阀门8来维持在床1中压力基本恒定。末端空间和连接管路体积(死体积)被设计为吸附剂床体积(约为20cm3)的5％或更小。
在步骤2中，O2流速和浓度通过流量计9和氧气分析器10始终被连续和精确地监测，直到N2的透过完成。通过固定的阀门5，流向分析器10的流量维持在一个固定值。在步骤2中，更具吸附优先选择性的N2将已被吸附在床1中的O2置换出来。当床用空气混合物接近饱和时，N2的透过反映为O2浓度的下降和从床流出的总流速的上升。通过将管路和吸附剂床浸入到控制为与进料有相同温度的自动控温浴中，使其维持在与进料相同的温度下。
然后使用一个代表该试验的计算机模型来模拟该透过试验。基于调节过程中材料和能量的平衡，组成一个详细的吸附模型。此模型的表达式为
ρ b ∂ wi ‾ ∂ t = k i ( c i - c si ‾ )
其中(Wi)为吸附物质(i)的平均载荷，ρb为吸附剂在床中的装填密度，ci和csi分别为在总流体中和在颗粒中与吸附物质载荷平衡的被吸附气体相的平均浓度。这里使用的模型由具有可忽略的轴向渗透的一维栓塞流所代表。该模型的其它特征包括：压降(由达西定律或Ergun公式所决定)、多成分等温线(由对应的载荷比例所决定)、和吸附速度(由线性驱动力所决定)。用非等温能量平衡来解释通过吸附剂床外壁的热量转移。通过改变传质速度系数kN2和kO2来进行模拟，直到模拟的透过物流速和浓度与实验值相符。
为了评价本发明方法的性能，对X-2型吸附剂进行了计算机模拟和实验室试验。对Oxysiv-7进行了计算机模拟。
图1所示的双床PSA结构和图2的方法被用于对X-2和Oxysiv-7的模拟和试验。小的珠子(如直径约0.5mm，接近市售Oxysiv-7的尺寸)与X-2的高的固有扩散率相结合用于提供高的总传质速度。
模拟的结果如表2所示，其显示了方法得到显著提高。在表2中所给出的本发明的功耗是在与市售浓缩器相同的总系统功耗效率下测定的。
表2本发明与现有技术的比较
系统 方法类型 性能
BSF(lb/TPD) 回收率(％)   功耗(kW/TPD)
本发明(X-2) VPSA 50 60 约15
PSA 90 50 约25
本  发  明(Oxysiv-7) VPSA 140 40 约25
PSA 250 35 约30
市售浓缩器 (V)PSA 约400 约35 30-40
Kaplan PSA 200 25 未知
Kulish PSA 125 未知 未知
从表中可以看出，Oxysiv-7在由本发明的技术方案下的改良方法中使用时，可以用来提供相对于市售医用浓缩器的一些改进。还可以清楚看出进一步的重大改进可通过使用X-2吸附剂来实现。
此表列出了吸附剂的容量
X-2约比Oxysiv-7小3倍和约比上述市售浓缩器小8倍。X-2的回收率与Oxysiv-7相比提高了至多1倍和1.5倍，同时功耗仅约为其一半。应该注意的是，与市售浓缩器相比，在本发明的方法中使用Oxysiv-7实现了在回收率和功耗上的适度改进，但BSF的显著下降。
使用X-2的浓缩器与结合Oxysiv-7的浓缩器相比实现了改进的原因是由于X-2具有提高的传质系数(MTC)。更具体地，由于在医用浓缩器中希望颗粒直径小，现已发现X-2提供了比具有相同颗粒尺寸的Oxysiv-7更快的吸附速度
表3吸附剂速度的比较
名称  沸石(SiO2/Al2O3) 颗粒直径Dp(mm)  MTCN2(s-1)
Oxysiv-7  LiX(2.5) 0.55  100
X-2  LiX(2.0) 1.25  40
X-2  LiX(2.0) 0.55  206
在相同的颗粒尺寸(如0.55mm)下，X-2给出了约为200s-1的MTCN2，其约为最好的市售Oxysiv-7吸附剂的两倍，如表3所示。
值得注意的是，如果希望更高的传质速度，并且如果在床中提高的压降和提高的轴向扩散较小且可被该方法所接受，可以很容易地使用比0.55mm更小的直径。
本发明改进的过程性能导致产生显著改进的浓缩器系统。因为实现了很小的BSF(如图4所示)，则要通过浓缩器提供相同的氧气量，就要求更小的吸附剂。
图5比较了用于代表性浓缩器生产能力5LPM的吸附剂重量。本发明要求的X-2吸附剂小至0.5lb(在VPSA法中)或0.95lb.(在PSA法中)。分别约为Kulish和Swank(如1.3lb.)的60％或25％。更小的吸附剂量，反过来，得到了更小的吸附剂床，并降低了总的浓缩器体积和重量。
通过本发明最优选的实施方案实现了高得多的氧气回收率(如1倍和1.5倍或更高)，并且因此要得到相同的氧气产量需要压缩和引入更少的空气进入浓缩器。因此可以使用更小和更轻的压缩机。请注意在VPSA法中，要求有真空泵。真空可由分离机或以相同压缩机马达驱动的集成的真空室来提供。这样，VPSA法与PSA法相比可能会要求稍大的机器(在尺寸和重量上)，但提供了显著更高的回收率(＞60％)和低得多的功率。
据估计本发明与当前市售的固定式浓缩器(供应5LPMO2的系统)相比，可以使总的尺寸和重量减小至少约30％，甚至可以在尺寸和重量上进一步减小来实现便携式(2-3LPM)系统。
如上面所指出，本发明的小型浓缩器还消耗更小的功率，其与更高的回收率共同实现，远比已有系统(在每单位产品量上)更有效率。
因为压缩机、吸附剂和吸附剂床占浓缩器成本的主要部分，这些参数的大幅下降可以显著地降低浓缩器的单位成本。而且，更小的压缩机和降低的空气流量还降低了系统的噪音。这又导致了本发明浓缩器与现有市售浓缩器相比对使用者具有更好的舒适性。
理想地，便携式的浓缩器的总重量应小于10lb，在尺寸上不大于1000立方英寸且具有至少6-8小时的电池寿命。本发明所实现的方法和系统的改进提供了以前所做不到的便携性。当本发明的浓缩器与储存器相结合时，一个产生2-3LPM呼吸量的真正的便携式的浓缩器被实现了。
在一个非限制性的实施方案中，集成的便携式浓缩器系统由本发明上述的先进PSA或VFSA浓缩器(包括压缩机、吸附剂、床、外壳等)，位于浓缩器外壳之内的氧气产品存储罐和储存器)所组成。本发明也可应用于VSA系统，只要提供能在希望的输送压力下供应产品的装置。
PSA浓缩器在根据储存器所提供比例的降低的生产能力下连续操作。产生的氧气则在每个呼吸循环时被存储在氧气产品罐中，氧气产品罐根据患者的需要和储存器的特性而适当地确定尺寸。储存器在每个循环从罐中向患者输送足够量的氧气及流型。这样的实施方案可以最大化储存器的益处并最小化PSA浓缩器的尺寸、重量和功率。例如，如果患者要吸入3LPM的氧气流量且储存器的存储比例为4∶1，则只需一个产生0.75LPM连续气流的PSA浓缩器。储存器的存储比例越大，PSA浓缩器就越小，并且集成系统也就越小越便携。
在另一个非限制性的实施方案中，储存器可以接近使用者的鼻部(如在胸袋中)，这样在储存器和PSA床之间的管道可以被用于氧气的存储。这就消除了对产品罐的需要。
在一个进一步的非限制性的实施方案中，不需要产品罐。对PSA浓缩器大小的决定和控制，使其仅按需求工作且即时地为患者生产足够量和形式的氧气。例如，PSA浓缩器可被线性压缩机的调制所驱动。
由于本发明方法更低的功耗，对于给定的电池尺寸，本发明的便携式浓缩器能够实现在电池充电之间具有比任何其它浓缩器更长的寿命，特别是与储存器结合时。
虽然本发明提供了改进的医用浓缩器，但本发明的原理也可应用于其它以分离或纯化为目的的快速循环过程，特别是在空气分离中。其可以应用于任何要求低重量、紧凑尺寸、低功率和低成本的系统中。
虽然在这里系统表现为双床的实施方案，其也可实行更多的或更少的床。床的结构和/或流型不限于传统轴向流吸附器，还可应用于放射流和横向流吸附器等。另外，床可以是分段的(或分离的、有结构的)且每段可以作为一个独立的吸附剂床起作用。
本发明并不限制具体的吸附剂。任何具有MTCN2＞100s-1的吸附剂都可被使用。代表性的材料包括选自由被本领域专业人员所知的用于提高MTC的方法处理过的A-沸石、Y-沸石、NaX、混合的阳离子X-沸石、LiX、菱沸石、发光沸石、斜发沸石、氧化硅-氧化铝、氧化铝、氧化硅、硅酸钛。而且本发明不限于单一的吸附剂。可以使用多种吸附剂。吸附剂也可以是分层的或混合的，固定的或非固定的。
组成二艺序列的气体转换不限于电磁阀装置，其可以是任何的压力变化产生或控制装置，例如，旋转的阀门或床等，及组件等。
储存器集成在浓缩器上的应用不限于便携式的单元，也可应用于固定式浓缩器。
虽然本发明的方法优选地在大气压和室温下运行，其也可应用于全部范围的处理条件下，如压力、温度、和流速、进料速度等。
虽然结合具体的优选实施方案来特别描述了本发明，但对于本领域专业人员来说，根据上述的说明，明显可以有许多替代、修改和变化。因此附上的权利要求将涵盖任何在本发明的范围和精神下的替代、修改和变化。
在对本发明进行描述之后，权利要求如下所述。

Claims (21)

1.一种压力摆动吸附(PSA)方法，用于从空气中生产至多15 LPM的氧气，所述方法包括：
a)氮气从所述空气中向至少一个吸附剂床上的吸附；
b)氮气从所述至少一个吸附剂床上的解吸；
c)氧气从所述空气中的回收，其具有85体积％到95体积％的纯度，其中
所述吸附剂具有大于等于100s-1的传质系数(MTCN2)；
在所述纯度为90％时，所述氧气从所述空气中的回收率大于等于35％，并且
床尺寸因子(BSF)小于300磅吸附剂/TPDO。
2.权利要求1的方法，其中单一吸附/解吸循环的时间小于10s。
3.权利要求1的方法，其中使用了两个吸附剂床。
4.权利要求1的方法，其中要求的总功耗小于或等于25kw/TPDO。
5.权利要求1的方法，其中所述的解吸步骤在低于大气压的条件下进行。
6.权利要求1的方法，其中所述吸附剂是具有2.0-2.5的SiO2/Al2O3比的LiX吸附剂。
7.权利要求1的方法，其中所述方法从空气中生产5LPM的氧气。
8.权利要求1的方法，进一步包含将所述氧气流经储存装置。
9.权利要求1的方法，其中所述方法具有连续的进料。
10.权利要求1的方法，其中所述方法在医用氧气浓缩器上实现。
11.权利要求10的方法，其中所述医用氧气浓缩器重量小于15磅。
12.权利要求10的方法，其中所述医用氧气浓缩器重量小于10磅。
13.权利要求1的方法，其中回收的氧气直接提供给需要氧气的患者。
14.权利要求8的方法，其中氧气通过所述储存装置提供给需要氧气的患者。
15.权利要求1的方法，其中氧气是在患者需要氧气时即时生成的。
16.一种压力摆动吸附(PSA)装置，用于从空气中生产至多15LPM具有85体积％到95体积％纯度的氧气，所述装置包含至少一个具有大于等于100s-1的MTCN2的吸附剂床(A，B)；
其中所述装置具有小于300磅吸附剂/TPDO的BSF；且当所述氧气具有90体积％的纯度时，其在大于35％的回收率下产生。
17.权利要求16的设备，其中所述装置包括两个吸附剂床(A和B)。
18.权利要求16的设备，其中所述装置为医用氧气浓缩器。
19.权利要求16的设备，其中所述吸附剂是具有2.0-2.5的SiO2/Al2O3比的LiX吸附剂。
20.权利要求16的设备，其中所述装置从空气中产生3LPM氧气。
21.权利要求16的设备，其中所述装置具有小于15磅的重量。
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